Proč je tepelné rozpadání vzácné u lithiových baterií pro spotřebitele?

Případy tepelného zahoření u baterií pro spotřební elektroniku (např. lithium-iontové baterie v mobilních telefonech, noteboocích a jiných zařízeních) jsou relativně vzácné, hlavně díky konzervativnímu návrhu, redundantním bezpečnostním mechanismům, kontrolovatelným podmínkám použití a přísnému dohledu odvětví.

1. Technický návrh: konzervativní strategie snižuje riziko

• Malá kapacita a nízká hustota energie

Omezení kapacity: Bateriové články pro spotřebitele obvykle mají kapacitu mezi 1000 mAh a 5000 mAh (např. baterie mobilních telefonů, přibližně 3000–5000 mAh), což je výrazně nižší než u trakčních baterií (např. bateriové balíčky elektrických vozidel, které mohou dosáhnout 50–100 kWh). Malokapacitní baterie uvolňují při tepelném řetězovém zákazu omezené množství energie, takže i v případě poruchy hrozí menší riziko prudkého hoření nebo exploze.

Rovnováha hustoty energie: Za účelem vyvážení bezpečnosti a životnosti baterie používají baterie pro spotřebitele často osvědčený systém s grafickou anodou a katodou z lithia-kobalt-oxidu (LiCoO₂) / ternární katodou, nikoli křemičitou anodu a vysokoniklovou katodu (např. NCM811/NCA), které usilují o extrémní hustotu energie. Katody LiCoO₂ nabízejí lepší chemickou stabilitu ve srovnání s vysokoniklovými materiály, čímž snižují riziko tepelného řetězového zákazu.

• Optimalizace konstrukce a návrh odvodu tepla

Kompaktní uspořádání: Zařízení spotřební elektroniky mají omezený vnitřní prostor a baterie jsou často pevně integrovány s matiční deskou a chladicím modulem. Výrobci využívají konstrukce jako grafitové chladiče, kapalinové chladicí trubice a heat-pipe technologie k urychlení odvodu tepla a prevenci lokálního přehřívání. Například herní telefony používají vícevrstvou strukturu chlazení, aby chránily baterii před dlouhodobým působením vysokých teplot.

Výbušněbezpečná konstrukce: Skříň baterie je vyrobena z nehořlavého materiálu PC/ABS, který dokáže zpomalit šíření ohně i v případě vnitřního hoření; některá zařízení naplňují okolí baterie aerogelem nebo fázově měnícím materiálem, který pohlcuje teplo a izoluje kyslík.

• Technologie pojistného ventilu a membrány

Pojistný ventil: Když vnitřní tlak v baterii stoupne příliš vysoko (například v počáteční fázi tepelného úniku), pojistný ventil praskne a uvolní plyn, čímž zabrání výbuchu.

Separátor s keramickým povrchem: Na povrch konvenčního polyetylénového (PE) separátoru je nanesena keramická vrstva, která zlepšuje odolnost vůči vysokým teplotám. I v případě lokálního zkratu se separátor nebude rychle smršťovat a tím způsobit kontakt mezi kladnou a zápornou elektrodou, čímž se zabrání řetězové reakci tepelného úniku.

2. Bezpečnostní mechanismus: víceúrovňový redundantní design

• Dokonalost systému pro správu baterií (BMS)

Ochrana proti přebíjení/přerušenému vybíjení: Když se napětí baterie přiblíží 4,35 V (mezní hodnota přebíjení), systém BMS odpojí nabíjecí obvod; pokud je napětí nižší než 2,5 V, je vybíjení zakázáno, aby nedošlo k poškození baterie.

Sledování teploty: Vestavěný teplotní senzor sleduje teplotu baterie v reálném čase. Když teplota překročí 45 °C, spustí se chlazení (např. snížení nabíjecího výkonu) nebo alarm. Pokud je teplota příliš vysoká (např. překročí 60 °C), je napájení okamžitě odpojeno.

Omezení proudu: Pokud je odebíraný proud příliš velký (např. při zkratu), systém BMS spustí pojistný mechanismus nebo omezí výstupní výkon, aby se předešlo přehřátí způsobenému přetížením proudu.

• Konzervativní strategie rychlého nabíjení

Rychlé nabíjení u spotřebních baterií obvykle využívá vícestupňové nabíjení (např. nejprve konstantní proud, poté konstantní napětí) a po dosažení 80 % kapacity přechází na kapacitní nabíjení, čímž se snižuje hromadění tepla.

Omezení nabíjecího výkonu: Například výkon rychlého nabíjení u mobilních telefonů je většinou v rozmezí 20–100 W, což je mnohem nižší než 150 kW a vyšší rychlé nabíjení u elektrických vozidel, čímž se snižuje riziko tepelného úniku.

• Zvýšená zpomalovač hoření materiálů

Přidání retardérů hoření (např. fosfáty) do elektrolytu za účelem potlačení hořecí reakce;

Povrch kladné elektrody je pokryt inertní vrstvou, jako je oxid hlinitý (Al₂O₃), aby se snížily vedlejší reakce s elektrolytem a snížilo se vyvíjení tepla.

3. Případ použití: kontrolované prostředí a standardizovaný provoz

• Mírné provozní podmínky

Zařízení spotřební elektroniky jsou obvykle používána při pokojové teplotě (0–40 °C) a zřídka jsou vystavena extrémně vysokým teplotám (např. uvnitř auta na přímém slunci) nebo nízkým teplotám. Naproti tomu trakční baterie musí fungovat v širším rozsahu teplot od -30 °C do 60 °C, což představuje vyšší riziko tepelného úniku.

• Specifikace chování při nabíjení

Uživatelé obvykle používají původní nabíječku (s odpovídajícím výstupním výkonem), aby se zabránilo přetížení nebo přepětí;

Vyhněte se dlouhodobému nabíjení v noci: Mnoho zařízení (např. mobilní telefony) automaticky ukončí nabíjení po dosažení plného nabití, čímž se snižuje doba, po kterou baterie zůstává plně nabitá (plně nabitá baterie má vysokou chemickou aktivitu a mírně zvýšené riziko tepelného rozjezdu).

• Kompletní fyzická ochrana

Skříň zařízení je navržena s ohledem na ochranu před pádem (např. zesílené rámy telefonů a vyztužené rohy), aby se snížilo riziko zkratu baterie způsobeného mechanickým poškozením.

Zabraňte pronikání kovových cizích předmětů do baterie: Uživatelé obvykle neukládají kovové předměty, jako jsou klíče, přímo do kontaktu s baterií, čímž se snižuje pravděpodobnost zkratu.

4. Dozor nad odvětvím: přísné normy a odpovědnost

• Mezinárodní certifikace bezpečnosti

UL 1642: Testuje bezpečnost baterie za extrémních podmínek, jako je přebíjení, zkrat, stlačení a propíchnutí;

IEC 62133: Stanoví požadavky na výkon baterií v podmínkách vysoké teploty, nízké teploty, vibrací a dalších prostředích;

GB 31241: Čínský povinný standard, který stanoví dobu šíření plamene po tepelném rozjezdu baterie (musí být ≤30 sekund).

Baterie pro spotřebitele musí projít certifikací podle norem UL, IEC, GB a dalších, například:

• Systém odvolání a odpovědnosti

Pokud u baterií konkrétní značky často dochází k tepelnému rozjezdu, výrobce je povinen iniciovat odvolání (jako v případě Samsung Galaxy Note 7) a nést právní odpovědnost. Tento tlak nutí společnosti přísně kontrolovat kvalitu a zajistit dodržování bezpečnostních předpisů ve všech procesech, od nákupu surovin až po výrobu.

5. Porovnání trakčních baterií: Proč je vyšší riziko tepelného rozjezdu?

• Velká kapacita a vysoká hustota energie

Výkonové baterie jsou tvořeny tisíci článků spojených do série nebo paralelně. Kombinovaná energie jednotlivých článků zesiluje destruktivní účinek tepelného řetězového efektu. Například baterie vozidla Tesla Model 3 má kapacitu přibližně 75 kWh a energie uvolněná při tepelném řetězovém efektu odpovídá 15 kg trhavin.

• Složité provozní podmínky

Elektrická vozidla musí čelit mnoha výzvám, jako jsou vysoké a nízké teploty, vibrace a nárazy. Je obtížné zaručit shodnost bateriových článků a místní stárnutí nebo poškození může spustit řetězovou reakci.

• Rychlé nabíjení a vysoké požadavky na výkon

Výkonová baterie musí umožňovat rychlonabíjení nad 150 kW. Nabíjení a vybíjení velkým proudem způsobují nerovnoměrné zahřívání uvnitř bateriového článku, čímž se zvyšuje riziko tepelného řetězového efektu.

6. závěrem

Tepelné úniky jsou u běžných baterií méně časté, což je výsledkem konzervativního technického návrhu, redundantních bezpečnostních mechanismů, kontrolovatelných scénářů použití a přísného dohledu odvětví.