Mengapa Larian Terma Jarang Berlaku dalam Bateri Litium-Ion Pengguna？

Kejadian larian terma dalam bateri pengguna (seperti bateri litium-ion dalam telefon mudah alih, komputer riba dan peranti lain) adalah agak jarang berlaku, terutamanya disebabkan oleh reka bentuk yang konservatif, mekanisme keselamatan berulang, senario penggunaan yang terkawal, dan pengawasan industri yang ketat.

reka bentuk teknikal: strategi konservatif mengurangkan risiko

• Kapasiti kecil dan ketumpatan tenaga rendah

Had Kapasiti: Sel bateri pengguna biasanya mempunyai kapasiti antara 1000mAh hingga 5000mAh (contohnya, bateri telefon mudah alih, kira-kira 3000-5000mAh), jauh lebih rendah berbanding bateri kuasa (contohnya, pakej bateri kenderaan elektrik, yang boleh mencapai 50-100kWh). Bateri kapasiti kecil membebaskan tenaga yang terhad semasa lari termal, menjadikannya kurang berkemungkinan menyebabkan pembakaran atau letupan yang ganas walaupun berlaku kegagalan.

Keseimbangan ketumpatan tenaga: Untuk menyeimbangkan keselamatan dan jangka hayat bateri, bateri pengguna kerap menggunakan sistem matang yang terdiri daripada anod grafit dan katod litium kobalt oksida (LiCO)/tiga komponen, bukannya anod berasaskan silikon dan katod nikel tinggi (seperti NCM811/NCA) yang mengejar ketumpatan tenaga maksimum. Katod LiCO menawarkan kestabilan kimia yang lebih baik berbanding bahan nikel tinggi, mengurangkan risiko lari termal.

• Pengoptimuman struktur dan reka bentuk peresapan haba

Susunan Ringkas: Peranti elektronik pengguna mempunyai ruang dalaman yang terhad, dan bateri biasanya diintegrasikan dengan ketat kepada papan induk dan modul penyejukan. Pengilang menggunakan reka bentuk seperti peredam haba grafena, tiub penyejukan cecair, dan paip haba untuk mempercepatkan pengaliran haba serta mencegah panas setempat yang berlebihan. Sebagai contoh, telefon permainan menggunakan struktur pelbagai lapisan bagi membantu menyebarkan haba untuk melindungi bateri daripada suhu tinggi yang berpanjangan.

Struktur pencegah letupan: Perumahan bateri diperbuat daripada bahan PC/ABS yang tahan api, yang boleh memperlahankan perambatan api walaupun berlaku kebakaran dari dalam; sesetengah peranti mengisi aerogel atau bahan perubahan fasa di sekeliling bateri untuk menyerap haba dan mengasingkan oksigen.

• Teknologi injap keselamatan dan diafragma

Injap keselamatan: Apabila tekanan dalaman bateri terlalu tinggi (seperti pada peringkat awal lari termal), injap keselamatan akan pecah dan melepaskan gas bagi mencegah letupan.

Pemisah bersalut seramik: Lapisan seramik dikenakan pada permukaan pemisah polietilena (PE) konvensional untuk meningkatkan rintangan suhu tinggi. Walaupun berlaku litar pintas setempat, pemisah tidak akan mengecut dengan cepat dan menyebabkan sentuhan antara elektrod positif dan negatif, seterusnya mencegah tindak balas berantai lari terkawal haba.

2. Mekanisme keselamatan: reka bentuk perlindungan berulang ganda

• Penyempurnaan Sistem Pengurusan Bateri (BMS)

Perlindungan cas lebih/nyahcas berlebihan: Apabila voltan bateri menghampiri 4.35V (ambang cas lebih), BMS akan memutuskan litar pengecasan; apabila voltan kurang daripada 2.5V, nyahcas akan dilarang bagi mencegah kerosakan bateri.

Pemantauan suhu: Sensor suhu terbina dalam memantau suhu bateri secara masa nyata. Apabila suhu melebihi 45°C, penyejukan (seperti mengurangkan kuasa pengecasan) atau amaran akan diaktifkan. Apabila suhu terlalu tinggi (seperti melebihi 60°C), bekalan kuasa akan diputuskan secara langsung.

Had pembatasan semasa: Apabila arus pelepasan terlalu besar (seperti litar pintas), BMS akan mencetuskan mekanisme fius atau menghadkan kuasa output untuk mencegah pemanasan berlebihan yang disebabkan oleh beban arus berlebih.

• Strategi pengecasan pantas yang konservatif

Pengecasan pantas bateri pengguna biasanya menggunakan pengecasan berperingkat (seperti arus malar dahulu, kemudian voltan malar), dan beralih kepada pengecasan renik setelah kuasa bateri mencapai 80% bagi mengurangkan kumpulan haba.

Had kuasa pengecasan: Sebagai contoh, kuasa pengecasan pantas telefon bimbit kebanyakannya berada antara 20-100W, jauh lebih rendah berbanding pengecasan pantas kenderaan elektrik yang melebihi 150kW, seterusnya mengurangkan risiko larian terma.

• Penambahan rintangan api pada bahan

Tambah aditif perencat api (seperti fosfat) ke dalam elektrolit untuk menghalang tindak balas pembakaran;

Permukaan bahan elektrod positif dilapisi dengan lapisan lengai seperti aluminium oksida (Al₂O₃) untuk mengurangkan tindak balas sampingan dengan elektrolit dan mengurangkan penjanaan haba.

3. Senario penggunaan: persekitaran terkawal dan operasi piawaian

• Persekitaran penggunaan yang lembut

Peranti elektronik pengguna biasanya digunakan pada suhu bilik (0-40°C) dan jarang terdedah kepada suhu tinggi yang melampau (seperti di dalam kereta di bawah cahaya matahari terus) atau suhu rendah. Sebaliknya, bateri kuasa mesti menyesuaikan diri dengan julat suhu yang luas iaitu -30°C hingga 60°C, yang membawa risiko lebih tinggi bagi lari termal.

• Spesifikasi tingkah laku pengecasan

Pengguna umumnya menggunakan pengecas asal (dengan kuasa output yang sepadan) untuk mengelakkan pengecasan berlebihan atau voltan berlebihan;

Elakkan pengecasan berpanjangan pada waktu malam: Ramai peranti (seperti telefon mudah alih) akan secara automatik berhenti mengecas selepas cas penuh, mengurangkan masa bateri kekal dalam keadaan tercas penuh (bateri yang tercas penuh mempunyai aktiviti kimia yang tinggi dan sedikit meningkatkan risiko kemandulan haba).

• Perlindungan fizikal yang lengkap

Reka bentuk kes peranti mengambil kira perlindungan daripada hentakan (contohnya, rangka telefon yang ditebalkan dan sudut yang diperkukuh) untuk mengurangkan risiko litar pintas bateri akibat kerosakan mekanikal.

Mencegah objek asing logam daripada melonggar bateri: Pengguna biasanya tidak meletakkan objek logam seperti kunci bersentuhan langsung dengan bateri, yang mengurangkan kemungkinan litar pintas.

4. Penyeliaan industri: piawaian ketat dan tanggungjawab

• Sijil keselamatan antarabangsa

UL 1642: Menguji keselamatan bateri dalam keadaan ekstrem seperti cas lebih, litar pintas, mampatan, dan kerosakan tajam;

IEC 62133: Menentukan keperluan prestasi bateri dalam suhu tinggi, suhu rendah, getaran dan persekitaran lain;

GB 31241: Standard wajib China, yang menentukan masa penyebaran nyala api selepas kerosakan terma bateri (mesti ≤30 saat).

Bateri pengguna mesti lulus pensijilan standard UL, IEC, GB dan lain-lain, contohnya:

• Sistem tarik balik dan liabiliti

Jika bateri jenama tertentu kerap mengalami kerosakan terma, pengilang diwajibkan untuk memulakan penarikan semula (seperti insiden Samsung Galaxy Note 7) dan menanggung tanggungjawab undang-undang. Tekanan ini memaksa syarikat mengawal kualiti dengan ketat, memastikan pematuhan peraturan keselamatan di setiap proses, dari pembelian bahan mentah hingga pengeluaran.

5. Membandingkan bateri kuasa: Mengapa risiko kerosakan terma lebih tinggi?

• Kapasiti besar dan ketumpatan tenaga tinggi

Pek bateri kuasa terdiri daripada beribu-ribu sel yang disambungkan secara bersiri atau selari. Gabungan tenaga setiap sel meningkatkan kuasa pembebasan haba secara luar kawal. Sebagai contoh, pek bateri Tesla Model 3 mempunyai kapasiti sekitar 75kWh, dan tenaga yang dibebaskan semasa larian haba adalah setara dengan 15kg TNT.

• Persekitaran penggunaan yang kompleks

Kenderaan elektrik perlu menghadapi pelbagai cabaran seperti suhu tinggi dan rendah, getaran, dan perlanggaran. Konsistensi sel bateri sukar dijamin, dan penuaan atau kerosakan tempatan boleh mencetuskan tindak balas berantai.

• Pengecasan pantas dan keperluan kuasa tinggi

Bateri kuasa perlu menyokong pengecasan pantas melebihi 150kW. Pengecasan dan pelepasan arus tinggi akan menyebabkan suhu tidak sekata di dalam sel bateri, meningkatkan risiko larian haba.

6. kesimpulannya

Larian terma adalah kurang biasa dalam bateri pengguna, sebagai hasil reka bentuk teknikal yang konservatif, mekanisme keselamatan berulang, senario penggunaan yang terkawal, dan pengawasan industri yang ketat.