Hvorfor er termisk ubalance sjælden i forbruger Li-ion-batterier?

Termisk løberådighed i forbrugerbatterier (såsom lithium-ion-batterier i mobiltelefoner, bærbare computere og andre enheder) er relativt sjældent, primært på grund af deres konservative design, ekstra sikkerhedsfunktioner, kontrollerbare brugsscenarier og streng industriovervågning.

1. Teknisk design: konservativ strategi reducerer risiko

• Lille kapacitet og lav energitæthed

Kapacitetsbegrænsninger: Forbrugerbattericeller har typisk en kapacitet mellem 1000 mAh og 5000 mAh (f.eks. mobiltelefonbatterier, cirka 3000-5000 mAh), hvilket er markant lavere end effektbatterier (f.eks. elbilsbatteripakker, som kan nå op til 50-100 kWh). Små batterier frigør begrænset energi under termisk gennemløb, hvilket gør dem mindre tilbøjelige til voldsom forbrænding eller eksplosion, selv om der opstår en fejl.

Energitykt balance: For at opnå en balance mellem sikkerhed og batterilevetid bruger forbrugerbatterier ofte et modent system bestående af en grafitanode og lithiumcobaltoxid (LiCO)/ternær katode i stedet for en siliciumbaseret anode og højnikkelkatode (såsom NCM811/NCA), der søger ekstrem energitæthed. LiCO-katoder har bedre kemisk stabilitet end højnikkelmaterialer, hvilket nedsætter risikoen for termisk gennemløb.

• Strukturel optimering og varmeafledningsdesign

Kompakt layout: Forbrugerelektronik har begrænset indvendig plads, og batterier er ofte tæt integreret med moderkortet og kølemodulet. Producenter anvender designs som grafen-varmeafledere, væskekølerør og varmerør for at fremskynde varmeledning og forhindre lokaliseret overophedning. For eksempel bruger gaming-telefoner en flerlaget kølestruktur til at beskytte batteriet mod vedvarende høje temperaturer.

Eksplosionsbestandig konstruktion: Batteriets kabinet er fremstillet af flammehæmmende PC/ABS-materiale, som kan bremse spredningen af ild, selv hvis der opstår brand internt; nogle enheder fylder aerogel eller faseforandrende materiale omkring batteriet for at absorbere varme og isolere ilt.

• Sikkerhedsventil og membranteknologi

Sikkerhedsventil: Når det indre tryk i batteriet bliver for højt (f.eks. i de tidlige faser af termisk ubalance), vil sikkerhedsventilen briste og slippe gas ud for at forhindre eksplosion.

Keramikbelagt separator: Et keramiklag påføres overfladen af en konventionel polyethylen (PE) separator for at forbedre dets varmebestandighed. Selv ved en lokal kortslutning vil separatoren ikke rynke sig hurtigt og dermed medføre kontakt mellem de positive og negative elektroder, hvorved en termisk ubalance kædereaktion undgås.

2. Sikkerhedsmekanisme: flerfoldig beskyttelsesdesign med redundant funktion

• Forbedring af batteristyringssystem (BMS)

Overophugnings-/overudladningsbeskyttelse: Når batterispændingen nærmer sig 4,35 V (grænse for overophugning), afbryder BMS opladningskredsløbet; når spændingen er under 2,5 V, blokeres udladning for at forhindre skader på batteriet.

Temperaturövervågning: Den indbyggede temperatursensor overvåger batteritemperaturen i realtid. Når temperaturen overstiger 45 °C, aktiveres køling (f.eks. nedsættelse af opladningsydelse) eller et alarmssignal udsendes. Hvis temperaturen bliver for høj (f.eks. over 60 °C), afbrydes strømforsyningen direkte.

Nuværende begrænsning: Når afladestrømmen er for stor (f.eks. ved kortslutning), aktiverer BMS en sikringsmekanisme eller begrænser effekten for at forhindre overophedning forårsaget af strømoverbelastning.

• Konservativ strategi for hurtig opladning

Forbrugerbatteriers hurtig opladning anvender typisk trinvist opladning (f.eks. konstant strøm først, derefter konstant spænding) og skifter til dråbeoplader, når batteriets kapacitet når 80 %, for at reducere varmeopbygning.

Begrænsning af opladningseffekt: F.eks. ligger hurtigopladningseffekten for mobiltelefoner hovedsageligt mellem 20-100 W, hvilket er langt lavere end de 150 kW og derover hos elbilers hurtigoplader, hvilket reducerer risikoen for termisk ubalance.

• Forbedret flammehæmmende egenskab af materialer

Tilsæt flammehæmmende additiver (f.eks. phosphater) til elektrolytten for at hæmme brændingsreaktionen;

Overfladen af den positive elektrodemateriale er belagt med et inaktivt lag, såsom aluminiumoxid (Al₂O₃), for at reducere sidereaktioner med elektrolytten og mindske varmeudviklingen.

3. Anvendelsesscenarie: kontrolleret miljø og standardiseret drift

• Mildt anvendelsesmiljø

Forbrugerelektronik-enheder bruges typisk ved stuetemperatur (0-40°C) og udsættes sjældent for ekstreme høje temperaturer (såsom inde i en bil under direkte sollys) eller lave temperaturer. I modsætning hertil skal effektbatterier tilpasses et bredt temperaturområde på -30°C til 60°C, hvilket medfører en højere risiko for termisk ubalance.

• Specifikationer for opladningsadfærd

Brugere bruger generelt den originale oplader (med matchende outputeffekt) for at undgå overopladning eller overspænding;

Undgå langvarig opladning om natten: Mange enheder (som mobiltelefoner) standser automatisk opladning, når de er fuldt opladet, hvilket reducerer tiden, hvor batteriet forbliver helt opladet (et fuldt opladet batteri har høj kemisk aktivitet og en let øget risiko for termisk ubalance).

• Komplet fysisk beskyttelse

Enhedsomkapslingen er designet med beskyttelse mod fald i mente (f.eks. tykkere telefonrammer og forstærkede hjørner) for at reducere risikoen for kortslutning i batteriet forårsaget af mekanisk skade.

Forhindre metalfremmedlegemer i at gennembore batteriet: Brugere plejer normalt ikke at anbringe metalgenstande som nøgler i direkte kontakt med batteriet, hvilket nedsætter sandsynligheden for kortslutning.

4. Branchetilsyn: strenge standarder og ansvarlighed

• International sikkerhedscertificering

UL 1642: Tester batteriesikkerhed under ekstreme forhold såsom overopladning, kortslutning, komprimering og gennemboring;

IEC 62133: Angiver ydelseskravene til batterier i høje temperaturer, lave temperaturer, vibration og andre miljøer;

GB 31241: Kinas obligatoriske standard, som angiver flammespredningstiden efter termisk ubalance i batterier (skal være ≤30 sekunder).

Forbrugerbatterier skal godkendes i henhold til UL, IEC, GB og andre standarder, for eksempel:

• Tilbagkaldelses- og ansvarssystem

Hvis et bestemt mærkes batterier ofte oplever termisk ubalance, skal producenten iværksætte en tilbagekaldelse (som i Samsung Galaxy Note 7-uheldet) og påtage sig juridisk ansvar. Dette pres tvinger virksomheder til at strengt kontrollere kvaliteten og sikre overholdelse af sikkerhedsreglerne i alle processer, fra råvareindkøb til produktion.

5. Sammenligning af elmotorsbatterier: Hvorfor er risikoen for termisk ubalance højere?

• Stor kapacitet og høj energitæthed

Effektbatteripakker består af tusindvis af celler forbundet i serie eller parallel. Den samlede energi fra hver celle forstærker den destruktive kraft ved termisk løberamme. For eksempel har Tesla Model 3-batteripakken en kapacitet på ca. 75 kWh, og den frigjorte energi under termisk løberamme svarer til 15 kg TNT.

• Kompleks anvendelsesmiljø

Elbiler skal håndtere flere udfordringer såsom høje og lave temperaturer, vibrationer og kollisioner. Konsistensen mellem battericeller er svær at sikre, og lokal aldring eller skader kan udløse en kædereaktion.

• Hurtig opladning og høje effektkrav

Effektbatteriet skal kunne understøtte hurtig opladning på over 150 kW. Opladning og afladning med høj strøm vil medføre uregelmæssig temperatur inde i battericellen, hvilket øger risikoen for termisk løberamme.

6. i konklusion

Termisk gennembrud er mindre almindeligt i forbrugerbatterier, hvilket skyldes en konservativ teknisk design, redundante sikkerhedsfunktioner, kontrollerbare anvendelsesscenarier og streng industriopsyn.