उपभोक्ता लिथियम-आयन बैटरियों में थर्मल रनअवे दुर्लभ क्यों होता है?

उपभोक्ता बैटरियों (जैसे मोबाइल फोन, लैपटॉप और अन्य उपकरणों में लिथियम-आयन बैटरी) में थर्मल रनअवे की घटनाएँ अपेक्षाकृत दुर्लभ हैं, जिसका मुख्य कारण उनका संरक्षणात्मक डिज़ाइन, अतिरिक्त सुरक्षा तंत्र, नियंत्रित उपयोग परिदृश्य और कठोर उद्योग निगरानी है।

1. तकनीकी डिज़ाइन: संरक्षणात्मक रणनीति जोखिम को कम करती है

• छोटी क्षमता और कम ऊर्जा घनत्व

क्षमता सीमाएँ: उपभोक्ता बैटरी सेल में आमतौर पर 1000mAh से 5000mAh के बीच की क्षमता होती है (उदाहरण: मोबाइल फोन की बैटरी, लगभग 3000-5000mAh), जो शक्ति बैटरी (उदाहरण: इलेक्ट्रिक वाहन बैटरी पैक, जो 50-100kWh तक पहुँच सकता है) की तुलना में काफी कम है)। थर्मल रनअवे के दौरान छोटी क्षमता वाली बैटरी सीमित ऊर्जा मुक्त करती है, जिससे यहाँ तक कि खराबी होने पर भी हिंसक दहन या विस्फोट की संभावना कम रहती है।

ऊर्जा घनत्व संतुलन: सुरक्षा और बैटरी आयु के बीच संतुलन बनाए रखने के लिए, उपभोक्ता बैटरी अक्सर ग्रेफाइट एनोड और लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड (LiCO)/टर्नरी कैथोड की एक परिपक्व प्रणाली का उपयोग करते हैं, बजाय चरम ऊर्जा घनत्व की खोज में सिलिकॉन-आधारित एनोड और उच्च-निकेल कैथोड (जैसे NCM811/NCA) के। LiCO कैथोड उच्च-निकेल सामग्री की तुलना में उत्कृष्ट रासायनिक स्थिरता प्रदान करता है, जिससे थर्मल रनअवे के जोखिम में कमी आती है।

• संरचनात्मक अनुकूलन और ऊष्मा अपव्यय डिज़ाइन

संकुचित लेआउट: उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स उपकरणों में आंतरिक स्थान सीमित होता है, और बैटरियों को अक्सर मदरबोर्ड और कूलिंग मॉड्यूल के साथ घनिष्ठ रूप से एकीकृत किया जाता है। निर्माता ग्रेफीन हीट सिंक, तरल कूलिंग ट्यूब और हीट पाइप जैसे डिज़ाइन का उपयोग ऊष्मा चालन को तेज करने और स्थानीय अधिक तापमान से बचाव के लिए करते हैं। उदाहरण के लिए, गेमिंग फोन बैटरी को लंबे समय तक उच्च तापमान से सुरक्षित रखने के लिए बहु-स्तरीय ऊष्मा अपव्यय संरचना का उपयोग करते हैं।

विस्फोट-रोधी संरचना: बैटरी का आवरण ज्वाला-अवरोधक पीसी/एबीएस सामग्री का बना होता है, जो आंतरिक दहन होने पर भी आग के फैलाव को धीमा कर सकता है; कुछ उपकरण बैटरी के चारों ओर एरोगेल या फेज चेंज सामग्री भरते हैं ताप को अवशोषित करने और ऑक्सीजन को अलग करने के लिए।

• सुरक्षा वाल्व और डायाफ्राम तकनीक

सुरक्षा वाल्व: जब बैटरी के आंतरिक दबाव बहुत अधिक हो जाता है (जैसे थर्मल रनअवे के शुरुआती चरण में), तो सुरक्षा वाल्व फट जाता है और गैस छोड़कर विस्फोट से बचाव करता है।

सिरेमिक-लेपित विभाजक: उच्च तापमान प्रतिरोधकता में सुधार के लिए पारंपरिक पॉलीएथिलीन (PE) विभाजक की सतह पर एक सिरेमिक परत लगाई जाती है। स्थानीय शॉर्ट सर्किट की स्थिति में भी, विभाजक तेजी से सिकुड़ता नहीं है, जिससे धनात्मक और ऋणात्मक इलेक्ट्रोड के बीच संपर्क नहीं होता, इस प्रकार थर्मल रनअवे श्रृंखला प्रतिक्रिया को रोका जाता है।

2. सुरक्षा तंत्र: बहुल सुरक्षा अतिरिक्त डिजाइन

• बैटरी प्रबंधन प्रणाली (BMS) का सुधार

अतिआवेश/अतिनिर्वहन सुरक्षा: जब बैटरी वोल्टेज 4.35V (अतिआवेश दहलीज) के करीब पहुंचता है, तो BMS आवेश परिपथ को काट देगा; जब वोल्टेज 2.5V से कम हो जाता है, तो बैटरी क्षति को रोकने के लिए निर्वहन पर प्रतिबंध लगा दिया जाता है।

तापमान निगरानी: अंतर्निहित तापमान सेंसर बैटरी के तापमान की वास्तविक समय में निगरानी करता है। जब तापमान 45°C से अधिक हो जाता है, तो ठंडक (जैसे आवेशन शक्ति कम करना) या चेतावनी सक्रिय हो जाती है। जब तापमान बहुत अधिक होता है (जैसे 60°C से अधिक), तो बिजली आपूर्ति सीधे काट दी जाती है।

वर्तमान सीमा: जब डिस्चार्ज करंट बहुत अधिक होता है (जैसे कि शॉर्ट सर्किट), तो BMS ओवरहीटिंग को रोकने के लिए फ्यूज मैकेनिज्म को ट्रिगर कर देगा या आउटपुट पावर को सीमित कर देगा।

• संरक्षणात्मक त्वरित चार्जिंग रणनीति

उपभोक्ता बैटरी त्वरित चार्जिंग आमतौर पर खंडित चार्जिंग (जैसे पहले निरंतर करंट और फिर निरंतर वोल्टेज) अपनाती है, और बैटरी की शक्ति 80% तक पहुँचने के बाद ट्रिकल चार्जिंग में स्विच कर देती है ताकि ऊष्मा संचय कम हो सके।

चार्जिंग पावर सीमा: उदाहरण के लिए, मोबाइल फोन की त्वरित चार्जिंग पावर अधिकतर 20-100W के बीच होती है, जो इलेक्ट्रिक वाहनों की 150kW और उससे अधिक त्वरित चार्जिंग की तुलना में बहुत कम है, जिससे थर्मल रनअवे के जोखिम को कम किया जा सके।

• सामग्री में अग्निरोधकता में वृद्धि

इलेक्ट्रोलाइट में अग्निरोधक योज्य (जैसे फॉस्फेट) मिलाकर दहन प्रतिक्रिया को दबाया जा सकता है;

धनात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री की सतह पर इलेक्ट्रोलाइट के साथ पार्श्व प्रतिक्रियाओं को कम करने और ऊष्मा उत्पादन कम करने के लिए एल्यूमीनियम ऑक्साइड (Al₂O₃) जैसी निष्क्रिय परत चढ़ाई जाती है।

3. उपयोग परिदृश्य: नियंत्रित वातावरण और मानकीकृत संचालन

• सौम्य उपयोग वातावरण

उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक उपकरण आमतौर पर कमरे के तापमान (0-40°C) पर उपयोग किए जाते हैं और आमतौर पर अत्यधिक उच्च तापमान (जैसे सीधी धूप में कार के अंदर) या निम्न तापमान के संपर्क में नहीं आते हैं। इसके विपरीत, पावर बैटरियों को -30°C से 60°C की विस्तृत तापमान सीमा के अनुकूल होना पड़ता है, जिससे थर्मल रनअवे का अधिक जोखिम रहता है।

• चार्जिंग व्यवहार विनिर्देश

उपयोगकर्ता आमतौर पर ओवरचार्जिंग या अति वोल्टेज से बचने के लिए मूल चार्जर (सुमेलित आउटपुट पावर के साथ) का उपयोग करते हैं;

रात में लंबे समय तक चार्जिंग से बचें: कई उपकरण (जैसे मोबाइल फोन) पूरी तरह चार्ज होने के बाद स्वचालित रूप से चार्जिंग बंद कर देते हैं, जिससे बैटरी के पूरी तरह चार्ज रहने के समय को कम किया जा सकता है (एक पूर्ण चार्ज बैटरी में रासायनिक गतिविधि अधिक होती है और तापीय असंतुलन का थोड़ा बढ़ा हुआ जोखिम होता है)

• पूर्ण भौतिक सुरक्षा

उपकरण के आवरण को गिरने से सुरक्षा के ध्यान में रखकर डिज़ाइन किया गया है (उदाहरण के लिए, मोटे फोन फ्रेम और मजबूत कोने) ताकि यांत्रिक क्षति के कारण बैटरी में लघुपथन के जोखिम को कम किया जा सके

धातु की विदेशी वस्तुओं से बैटरी के छिद्रित होने से बचाएं: उपयोगकर्ता आमतौर पर चाबियों जैसी धातु की वस्तुओं को सीधे बैटरी के संपर्क में नहीं रखते हैं, जिससे लघुपथन की संभावना कम हो जाती है

4. उद्योग पर्यवेक्षण: सख्त मानक और जवाबदेही

• अंतरराष्ट्रीय सुरक्षा प्रमाणन

UL 1642: अतिचार्ज, लघुपथन, निचोड़न और छेदन जैसी चरम स्थितियों में बैटरी की सुरक्षा का परीक्षण करता है

IEC 62133: उच्च तापमान, निम्न तापमान, कंपन और अन्य वातावरण में बैटरियों की प्रदर्शन आवश्यकताओं को निर्दिष्ट करता है;

GB 31241: चीन का अनिवार्य मानक, जो बैटरी के थर्मल रनअवे के बाद लौ प्रसार समय को निर्दिष्ट करता है (30 सेकंड से कम या बराबर होना चाहिए)।

उपभोक्ता बैटरियों को UL, IEC, GB और अन्य मानक प्रमाणनों से गुजरना होता है, उदाहरण के लिए:

• वापसी और दायित्व प्रणाली

यदि किसी विशेष ब्रांड की बैटरियों में बार-बार थर्मल रनअवे की स्थिति उत्पन्न होती है, तो निर्माता को वापसी शुरू करने की आवश्यकता होती है (जैसे सैमसंग गैलेक्सी नोट 7 की घटना में) और कानूनी जिम्मेदारी वहन करनी पड़ती है। इस दबाव के कारण कंपनियों को गुणवत्ता पर सख्त नियंत्रण रखना पड़ता है, जिससे कच्चे माल की खरीद से लेकर उत्पादन तक हर प्रक्रिया में सुरक्षा नियमों का पालन सुनिश्चित होता है।

5. ट्रैक्शन बैटरी की तुलना करना: थर्मल रनअवे का जोखिम अधिक क्यों होता है?

• बड़ी क्षमता और उच्च ऊर्जा घनत्व

पावर बैटरी पैक सीरीज़ या समानांतर में जुड़े हज़ारों सेल से बने होते हैं। प्रत्येक सेल की संयुक्त ऊर्जा थर्मल रनअवे की विनाशकारी शक्ति को बढ़ा देती है। उदाहरण के लिए, टेस्ला मॉडल 3 के बैटरी पैक की क्षमता लगभग 75kWh है, और थर्मल रनअवे के दौरान मुक्त ऊर्जा 15kg टीएनटी के बराबर होती है।

• जटिल उपयोग वातावरण

बिजली के वाहनों को उच्च और निम्न तापमान, कंपन और टक्कर जैसी कई चुनौतियों का सामना करना पड़ता है। बैटरी सेलों की एकरूपता सुनिश्चित करना कठिन होता है, और स्थानीय बुढ़ापा या क्षति एक श्रृंखला प्रतिक्रिया को ट्रिगर कर सकती है।

• त्वरित चार्जिंग और उच्च शक्ति की आवश्यकताएँ

पावर बैटरी को 150kW से अधिक की त्वरित चार्जिंग का समर्थन करने की आवश्यकता होती है। उच्च-धारा चार्जिंग और डिस्चार्जिंग बैटरी सेल के आंतरिक तापमान में असमानता पैदा करती है, जिससे थर्मल रनअवे के जोखिम में वृद्धि होती है।

6. निष्कर्ष में

थर्मल रनअवे उपभोक्ता बैटरियों में कम आम है, जिसका कारण संयमी तकनीकी डिज़ाइन, अतिरिक्त सुरक्षा तंत्र, नियंत्रित उपयोग परिदृश्य और कठोर उद्योग निगरानी है।