Miért ritka a termikus felfutás a fogyasztói lítiumion-akkumulátorokban?

A fogyasztói akkumulátorokban (például mobiltelefonok, hordozható számítógépek és egyéb készülékek lítiumion-akkumulátorai) fellépő termikus futás jelensége viszonylag ritka, elsősorban a konzervatív tervezés, a többszörös biztonsági mechanizmusok, a kezelhető használati körülmények és a szigorú iparági felügyelet miatt.

1. Műszaki tervezés: konzervatív stratégia csökkenti a kockázatot

• Kis kapacitás és alacsony energia-sűrűség

Kapacitáskorlátok: A fogyasztói akkumulátorcellák tipikusan 1000 mAh és 5000 mAh közötti kapacitással rendelkeznek (pl. mobiltelefon-akkumulátorok, kb. 3000–5000 mAh), ami jelentősen alacsonyabb, mint a teljesítményakkumulátoroké (pl. elektromos járművek akkumulátorcsomagjai, amelyek elérhetik az 50–100 kWh-t). A kis kapacitású akkumulátorok hőfutás során korlátozott energiamennyiséget szabadítanak fel, így még hibásodás esetén is kevésbé valószínű a heves égés vagy robbanás.

Energiasűrűség-egyensúly: A biztonság és az élettartam egyensúlyának megteremtése érdekében a fogyasztói akkumulátorok gyakran érett rendszert használnak, mely grafit anódot és lítium-kobalt-oxid (LiCoO₂) / háromkomponensű katódokat tartalmaz, nem pedig szilíciumalapú anódot és nagy nikkel-tartalmú katódokat (például NCM811/NCA), amelyek extrém energia-sűrűségre törekszenek. A LiCoO₂ katódok jobb kémiai stabilitást nyújtanak a magas nikkel tartalmú anyagokhoz képest, csökkentve ezzel a hőfutás kockázatát.

• Szerkezeti optimalizálás és hőelvezetési tervezés

Kompakt elrendezés: A fogyasztói elektronikai eszközök belső területe korlátozott, és az akkumulátorok gyakran szorosan integráltak az alaplaphoz és a hűtőmodulhoz. A gyártók olyan berendezéseket használnak, mint például a grafen hőfolyók, folyékony hűtőcsövek és hőcsövek, amelyek gyorsítják a hővezetést és megakadályozzák a helyi túlmelegedést. Például a játéktelefonok több rétegű hőszennyező szerkezetet alkalmaznak, hogy megvédjék az akkumulátort a hosszú ideig tartó magas hőmérséklettől.

Robbanásálló szerkezet: Az akkumulátor burkolata lángálló PC/ABS anyagból készült, ami lassítja a tűz terjedését, még ha belülről is ég; néhány eszköz aerogéllel vagy fázisváltási anyaggal töltötte be az akkumulátort, hogy a hő elnyeli és elkülönítse az oxig

• Biztonsági szelep és membrántechnológia

Biztonsági szelep: Ha az akkumulátor belső nyomása túl magas (például a hőkivonás korai szakaszában), a biztonsági szelep megreped és gázokat bocsát ki a robbanás megakadályozása érdekében.

Kerámiával bevont szeparátor: A hagyományos polietilén (PE) szeparátor felületére kerámiaréteget visznek fel, hogy javítsák annak magas hőmérsékleten való ellenállását. Még helyi rövidzárlat esetén sem húzódik össze gyorsan a szeparátor, így megakadályozva az anód és katód érintkezését, ezzel megelőzve a termikus futótűz láncreakcióját.

2. Biztonsági mechanizmus: többszörös védelmi redundáns tervezés

• Akku-kezelő rendszer (BMS) finomítása

Túltöltés/túlmerítés elleni védelem: Amikor az akkumulátor feszültsége eléri a 4,35 V-ot (túltöltési küszöb), a BMS lekapcsolja a töltőkört; amikor a feszültség 2,5 V alá csökken, a merítést letiltja, hogy megelőzze az akkumulátor sérülését.

Hőmérsékletfigyelés: A beépített hőmérséklet-érzékelő folyamatosan figyeli az akkumulátor hőmérsékletét. Amikor a hőmérséklet meghaladja a 45 °C-ot, hűtés (például töltési teljesítmény csökkentése) vagy riasztás aktiválódik. Amikor a hőmérséklet túl magas (például 60 °C felett van), a tápellátás közvetlenül lekapcsolódik.

Jelenlegi korlátozás: Amikor a kisütési áram túl nagy (például rövidzárlat esetén), a BMS aktivál egy biztosítékműködtető mechanizmust, vagy korlátozza a kimeneti teljesítményt az áramtúlterhelésből eredő túlmelegedés megelőzése érdekében.

• Konzervatív gyors töltési stratégia

A fogyasztói akkumulátorok gyors töltése általában szakaszos töltést alkalmaz (például először állandó áram, majd állandó feszültség), és amikor az akkumulátor töltöttsége eléri a 80%-ot, átvált cseppfolyósító töltésre, hogy csökkentse a hőfelhalmozódást.

Töltési teljesítmény korlátozása: Például a mobiltelefonok gyorstöltési teljesítménye általában 20–100 W között van, ami lényegesen alacsonyabb, mint az elektromos járművek 150 kW feletti gyorstöltése, így csökkentve a termikus futótűzveszélyt.

• Anyagok javított lángállósága

Lángoltató adalékanyagok (például foszfátok) hozzáadása az elektrolitba a égési reakció gátlása érdekében;

A pozitív elektród anyag felületét inerth réteggel, például alumínium-oxiddal (Al₂O₃) vonják be, hogy csökkentsék az oldószerrel történő mellékreakciókat és a hőtermelést.

3. Felhasználási forgatókönyv: szabályozott környezet és szabványos működtetés

• Gyengéd használati környezet

A fogyasztói elektronikai eszközöket általában szobahőmérsékleten (0–40 °C) használják, és ritkán érik extrém magas hőmérsékletek (például közvetlen napsütésnek kitett autó belseje) vagy alacsony hőmérsékletek. Ezzel szemben az indítóbatteriáknak alkalmazkodniuk kell egy -30 °C és 60 °C közötti széles hőmérséklet-tartományhoz, ami nagyobb termikus futás kockázatával jár.

• Töltési viselkedés előírásai

A felhasználók általában az eredeti töltőt használják (megfelelő kimenő teljesítménnyel), hogy elkerüljék a túltöltést vagy a túlfeszültséget;

Kerülje a hosszú idejű töltést éjszaka: Számos eszköz (például mobiltelefonok) automatikusan leállítja a töltést a teljes feltöltődés után, csökkentve ezzel az időt, amíg az akkumulátor teljesen feltöltött állapotban marad (a teljesen feltöltött akkumulátor nagyobb kémiai aktivitással rendelkezik, és enyhén megnövekedett termikus futás kockázata van).

• Teljes fizikai védelem

Az eszköz háza ejtésbiztos kialakítású (például megvastagított telefonkeretekkel és megerősített sarkokkal), hogy csökkentse az akkumulátor rövidzárlatának kockázatát mechanikai sérülések következtében.

Elkerülni, hogy fém idegen tárgyak átszúrják az akkumulátort: A felhasználók általában nem tesznek közvetlenül fém tárgyakat, például kulcsokat az akkumulátorral érintkezésbe, így csökkentve a rövidzárlat valószínűségét.

4. Ipari felügyelet: szigorú szabványok és felelősségtudat

• Nemzetközi biztonsági tanúsítvány

UL 1642: Az akkumulátor biztonságát teszteli extrém körülmények között, mint például túltöltés, rövidzár, összenyomás és átszúrás;

IEC 62133: Magas hőmérsékleten, alacsony hőmérsékleten, rezgés és egyéb környezeti körülmények között a telepek teljesítményére vonatkozó követelményeket írja elő;

GB 31241: Kína kötelező szabványa, amely előírja az akkumulátor termikus áttörése utáni lángterjedés idejét (legfeljebb 30 másodperc lehet).

A fogyasztói akkumulátoroknak meg kell felelniük az UL, IEC, GB és egyéb szabványos tanúsításoknak, például:

• Visszahívási és felelősségi rendszer

Ha egy adott márkájú akkumulátor gyakran szenved termikus áttöréstől, a gyártónak visszahívást kell kezdeményeznie (például a Samsung Galaxy Note 7 esetében) és jogi felelősséget kell vállalnia. Ez a nyomás arra kényszeríti a vállalatokat, hogy szigorúan ellenőrizzék a minőséget, és biztosítsák a biztonsági előírások betartását a nyersanyag-beszerzéstől a gyártásig tartó minden folyamatban.

5. Hajtási akkumulátorok összehasonlítása: Miért magasabb a termikus áttörés kockázata?

• Nagy kapacitás és magas energia-sűrűség

Az energia akkumulátorok több ezer, egymással párhuzamosan vagy sorozatban csatlakoztatott elemből állnak. Az egyes sejtek kombinált energiája erősíti a hőfolyamat pusztító erejét. Például a Tesla Model 3 akkumulátorcsomag kapacitása körülbelül 75 kWh, és a hőkioldás során felszabaduló energia egyenértékű 15 kg TNT-tel.

• Komplex felhasználási környezet

Az elektromos járműveknek többféle kihívással kell szembenézniük, mint például a magas és alacsony hőmérséklet, a rezgés és az ütközés. Az akkumulátorcellák konzisztenciáját nehéz biztosítani, és a helyi öregedés vagy károsodás láncreakciót okozhat.

• Gyors töltés és nagy teljesítményigény

Az akkumulátornak 150 kW-nál nagyobb gyors töltést kell támogatnia. A nagy áramú töltés és kiürítés egyenlőtlen hőmérsékletet okoz az akkumulátorcellában, ami fokozza a hőfolyamat kockázatát.

6. következtetés

A termikus felfutás kevésbé gyakori a fogyasztói akkumulátoroknál, amit a konzervatív műszaki tervezés, többszörös biztonsági mechanizmusok, irányítható használati körülmények és szigorú iparági felügyelet eredményez.