Zašto je termički uzlet rijedak u Li-ion baterijama za potrošače?

Incidenti termalnog izlaska iz-iz kontrole u potrošačkim baterijama (kao što su litij-ionske baterije u mobilnim telefonima, laptopovima i drugim uređajima) su relativno rijetki, uglavnom zbog konzervativnog dizajna, višestrukih sigurnosnih mehanizama, kontroliranih scenarija korištenja te stroge industrijske nadzora.

1. Tehnički dizajn: konzervativna strategija smanjuje rizik

• Mala kapaciteta i niska gustoća energije

Ograničenja kapaciteta: ćelije potrošačkih baterija obično imaju kapacitet između 1000 mAh i 5000 mAh (npr. baterije za mobilne telefone, približno 3000-5000 mAh), znatno niže u odnosu na pogonske baterije (npr. paketi baterija za električna vozila, koji mogu doseći 50-100 kWh). Baterije male kapacitete oslobađaju ograničenu količinu energije tijekom termalnog propadanja, zbog čega je manje vjerojatno da će uzrokovati nasilno sagorijevanje ili eksploziju, čak i ako dođe do kvara.

Ravnoteža gustoće energije: kako bi se postigla ravnoteža između sigurnosti i vijeka trajanja baterije, potrošačke baterije često koriste zreli sustav s grafitnom anodom i katodom litij-kobalt-oksidom (LiCO)/ternarnim katodom, umjesto silicijske anode i visokoniklenog katoda (kao što su NCM811/NCA) koji teže ekstremnoj gustoći energije. Katodi na bazi LiCO pružaju veću kemijsku stabilnost u odnosu na visokoniklene materijale, smanjujući rizik od termalnog propadanja.

• Optimizacija strukture i dizajn rasipanja topline

Kompaktna konstrukcija: Uređaji za potrošačku elektroniku imaju ograničen prostor unutar kućišta, a baterije su često čvrsto povezane s matičnom pločom i modulom za hlađenje. Proizvođači koriste dizajne poput grafenskih rashladnih radijatora, cijevi za tekuće hlađenje i vodova topline kako bi ubrzali vođenje topline i spriječili lokalno pregrijavanje. Na primjer, gaming telefonima se koristi višeslojna struktura za rasipanje topline kako bi se baterija zaštitila od dugotrajnih visokih temperatura.

Konstrukcija otporna na eksplozije: Kućište baterije izrađeno je od samogasivog PC/ABS materijala koji može usporiti širenje vatre čak i ako dođe do unutarnjeg sagorijevanja; neki uređaji ispunjavaju prostor oko baterije aerogelom ili materijalom promjenjivog agregatnog stanja kako bi upijeli toplinu i izolirali kisik.

• Tehnologija sigurnosnog ventila i membrane

Sigurnosni ventil: Kada unutarnji tlak u bateriji postane previsok (npr. u ranim fazama termalnog bijega), sigurnosni ventil puca i ispušta plin kako bi spriječio eksploziju.

Separator s keramičkim premazom: Na površinu konvencionalnog separatora od polietilena (PE) nanosi se keramički sloj kako bi se poboljšala otpornost na visoke temperature. Čak i u slučaju lokalnog kratkog spoja, separator se neće brzo skupiti i uzrokovati kontakt između pozitivne i negativne elektrode, time sprečavajući lančanu reakciju termičkog bijega.

2. Mehанизam sigurnosti: višestruka zaštitna redundantna konstrukcija

• Uređivanje sustava za upravljanje baterijom (BMS)

Zaštita od prekomjernog punjenja/pražnjenja: Kada napon baterije dođe do 4,35 V (prag prekomjernog punjenja), BMS će isključiti krug punjenja; kada je napon niži od 2,5 V, pražnjenje je zabranjeno kako bi se spriječilo oštećenje baterije.

Praćenje temperature: Ugrađeni senzor temperature u stvarnom vremenu prati temperaturu baterije. Kada temperatura prijeđe 45 °C, pokreće se hlađenje (npr. smanjenje snage punjenja) ili alarma. Kada je temperatura previsoka (npr. iznad 60 °C), napajanje se izravno isključuje.

Trenutačno ograničenje: Kada je struja pražnjenja prevelika (npr. kratki spoj), BMS će aktivirati osigurač ili ograničiti izlaznu snagu kako bi se spriječilo pregrijavanje uzrokovano preopterećenjem struje.

• Konzervativna strategija brzog punjenja

Brzo punjenje potrošačkih baterija obično koristi segmentirano punjenje (npr. najprije konstantna struja, zatim konstantni napon) i prebacuje se na kapljično punjenje nakon što baterija dostigne 80% kapaciteta, s ciljem smanjenja akumulacije topline.

Ograničenje snage punjenja: Na primjer, snaga brzog punjenja mobitela uglavnom je između 20-100 W, što je znatno niže u odnosu na brzo punjenje električnih vozila od 150 kW i više, čime se smanjuje rizik od termičkog izbijanja.

• Poboljšana vatrootpornost materijala

Dodavanje aditiva za zaustavljanje gorenja (npr. fosfata) u elektrolit radi inhibicije reakcije gorenja;

Površina materijala pozitivne elektrode prekrivena je inertnim slojem poput aluminijevog oksida (Al₂O₃) kako bi se smanjile sporedne reakcije s elektrolitom i smanjilo zagrijavanje.

3. Scenarij korištenja: kontrolirano okruženje i standardizirane operacije

• Blago radno okruženje

Uređaji za potrošačku elektroniku obično se koriste na sobnoj temperaturi (0–40 °C) i rijetko su izloženi ekstremno visokim temperaturama (npr. unutar automobila na direktnoj sunčevoj svjetlosti) ili niskim temperaturama. Nasuprot tome, pogonske baterije moraju se prilagoditi širem rasponu temperatura od -30°C do 60°C, što predstavlja veći rizik od termalnog bijega.

• Specifikacije ponašanja pri punjenju

Korisnici općenito koriste originalno punilo (s usklađenom izlaznom snagom) kako bi izbjegli prekomjerno punjenje ili prenapon;

Izbjegavajte produljeno punjenje tijekom noći: Mnogi uređaji (poput mobitela) automatski prestaju s punjenjem nakon što se potpuno napune, smanjujući vrijeme provedeno u potpunosti napunjenom stanju (baterija u potpunosti napunjena ima visoku kemijsku aktivnost i nešto povećan rizik od termalnog izlaska iz-iz kontrole).

• Potpuna fizička zaštita

Kućište uređaja projektirano je s obzirom na zaštitu od pada (npr. zadebljani okviri telefona i ojačani kutovi) kako bi se smanjio rizik od kratkog spoja baterije uzrokovani mehaničkim oštećenjem.

Spriječite da metalni strani predmeti probiju bateriju: korisnici obično ne stavljaju metalne predmete poput ključeva u izravan kontakt s baterijom, čime se smanjuje vjerojatnost kratkog spoja.

4. Nadzor u industriji: strogi standardi i odgovornost

• Međunarodna sigurnosna certifikacija

UL 1642: Ispituje sigurnost baterije u ekstremnim uvjetima kao što su prekomjerno punjenje, kratki spoj, stiskanje i probijanje;

IEC 62133: Određuje zahtjeve za performanse baterija u uvjetima visoke temperature, niske temperature, vibracija i drugih okoliša;

GB 31241: Obvezni kineski standard koji određuje vrijeme širenja plamena nakon termičkog propadanja baterije (mora biti ≤30 sekundi).

Potrošačke baterije moraju proći certifikaciju prema UL, IEC, GB i drugim standardima, na primjer:

• Sustav povrata i odgovornosti

Ako kod baterija određene marke često dolazi do termičkog propadanja, proizvođač je dužan pokrenuti povrat (kao u slučaju Samsung Galaxy Note 7) i snositi pravnu odgovornost. Taj pritisak prisiljava tvrtke na strogu kontrolu kvalitete, osiguravajući sukladnost s sigurnosnim propisima u svakom procesu, od nabave sirovina do proizvodnje.

5. Usporedba vučnih baterija: Zašto je rizik od termičkog propadanja veći?

• Veliki kapacitet i visoka gustoća energije

Paket akumulatora za pogon sastoji se od tisuća ćelija spojenih u seriju ili paralelno. Kombinirana energija svake ćelije pojačava destruktivnu snagu termalnog izbijanja. Na primjer, paket baterija Tesle Model 3 ima kapacitet od približno 75 kWh, a energija oslobođena tijekom termalnog izbijanja ekvivalentna je 15 kg TNT-a.

• Složeno okruženje uporabe

Električna vozila suočavaju se s više izazova poput visokih i niskih temperatura, vibracija i sudara. Teško je osigurati dosljednost ćelija baterije, a lokalno starenje ili oštećenje može pokrenuti lančanu reakciju.

• Brzo punjenje i visoki zahtjevi snage

Baterija za pogon mora podržavati brzo punjenje veće od 150 kW. Punjenje i pražnjenje velikom strujom uzrokuje neravnomjernu temperaturu unutar ćelije baterije, čime se povećava rizik od termalnog izbijanja.

6. zaključno

Termalni ubrzani režim je rjeđi kod potrošačkih baterija, posljedica konzervativnog tehničkog dizajna, višestrukih sigurnosnih mehanizama, kontroliranih scenarija korištenja i stroge industrijske kontrole.