Waarom thermische ontlading zeldzaam is in consumenten Li-ion batterijen?

Thermische doorloopevenementen in consumentenbatterijen (zoals lithium-ionbatterijen in mobiele telefoons, laptops en andere apparaten) zijn relatief zeldzaam, voornamelijk vanwege hun conservatieve ontwerp, redundante veiligheidsmechanismen, beheersbare gebruiksscenario's en strikte branche-toezicht.

1. Technisch ontwerp: conservatieve strategie verlaagt risico

• Kleine capaciteit en lage energiedichtheid

Capaciteitsbeperkingen: consumentenbatterijcellen hebben doorgaans een capaciteit tussen 1000 mAh en 5000 mAh (bijvoorbeeld mobiele telefoons, ongeveer 3000-5000 mAh), wat aanzienlijk lager is dan bij stroombatterijen (bijvoorbeeld accupacks voor elektrische voertuigen, die 50-100 kWh kunnen bereiken). Kleine batterijen met geringe capaciteit geven tijdens thermische doorloping beperkte energie vrij, waardoor ze zelfs bij storing minder kans maken op heftige verbranding of explosie.

Balans in energiedichtheid: om veiligheid en levensduur van de batterij te combineren, gebruiken consumentenbatterijen vaak een uitgekristalliseerd systeem met een grafietanode en een lithium-cobaltoxide (LiCO)/tertiaire kathode, in plaats van een siliciumanode en een hoog-nikkelkathode (zoals NCM811/NCA) die streven naar extreme energiedichtheid. LiCO-kathodes bieden betere chemische stabiliteit dan hoog-nikkelmaterialen, wat het risico op thermische doorloping verlaagt.

• Structurele optimalisatie en warmteafvoerontwerp

Compacte lay-out: Consumentenelectronica heeft beperkte interne ruimte, en accu's zijn vaak strak geïntegreerd met het moederbord en het koelingsmodule. Fabrikanten gebruiken ontwerpen zoals grafieen warmtewisselaars, vloeibare koelbuizen en heatpipes om warmtegeleiding te versnellen en lokale oververhitting te voorkomen. Bijvoorbeeld, gaming-telefoons maken gebruik van een meerdere lagen tellende warmteafvoerstructuur om de accu te beschermen tegen langdurig hoge temperaturen.

Explosieveilige structuur: De accuhuls is gemaakt van brandvertragend PC/ABS-materiaal, dat de verspreiding van vuur kan vertragen, zelfs als er intern brand ontstaat; sommige apparaten vullen aerogel of faseveranderend materiaal rond de accu om warmte op te nemen en zuurstof af te schermen.

• Veiligheidsklep- en diafragmategnologie

Veiligheidsklep: Wanneer de interne druk in de accu te hoog wordt (zoals in de vroege fase van thermische doorloping), zal de veiligheidsklep openspringen en gas vrijlaten om een explosie te voorkomen.

Ceramisch gecoate separator: Er wordt een keramische laag aangebracht op het oppervlak van een conventionele polyethyleen (PE) separator om de hittebestendigheid te verbeteren. Zelfs bij een lokale kortsluiting krimpt de separator niet snel, waardoor contact tussen de positieve en negatieve elektroden wordt voorkomen, en zo een thermische doorlopende reactie wordt vermeden.

2. Veiligheidsmechanisme: meervoudig beschermend redundante ontwerp

• Verfijning van het Batterijbeheersysteem (BMS)

Beveiliging tegen overladen/onderladen: Wanneer de batterijspanning de 4,35 V nadert (drempel voor overladen), zal het BMS de laadcircuit onderbreken; wanneer de spanning lager is dan 2,5 V, wordt ontladen geblokkeerd om schade aan de batterij te voorkomen.

Temperatuurbewaking: De ingebouwde temperatuursensor bewaakt in real time de temperatuur van de batterij. Wanneer de temperatuur boven de 45 °C komt, wordt koeling geactiveerd (zoals het verlagen van het laadvermogen) of een alarm afgegeven. Wanneer de temperatuur te hoog is (bijvoorbeeld boven de 60 °C), wordt de stroomtoevoer direct onderbroken.

Huidige beperking: Wanneer de ontladingsstroom te groot is (zoals bij een kortsluiting), activeert het BMS een zekeringmechanisme of beperkt het het uitgangsvermogen om oververhitting door stroomoverbelasting te voorkomen.

• Conservatieve snellaadstrategie

Snellaadstrategie voor consumentenbatterijen gebruikt meestal gedeelde lading (zoals eerst constante stroom en daarna constante spanning) en schakelt over naar druppelladen wanneer het batterijniveau 80% bereikt, om warmte-accumulatie te verminderen.

Beperking laadvermogen: Bijvoorbeeld, het snellaadvermogen van mobiele telefoons ligt meestal tussen 20 en 100 W, wat aanzienlijk lager is dan de 150 kW en hoger snellaadcapaciteit van elektrische voertuigen, waardoor het risico op thermische ontregeling wordt verlaagd.

• Verbeterde vlambestendigheid van materialen

Voeg vlambestendige additieven (zoals fosfaten) toe aan de elektrolyt om de verbrandingsreactie te onderdrukken;

De oppervlakte van het positieve elektrodemateriaal is bedekt met een inerte laag zoals aluminiumoxide (Al₂O₃) om nevenreacties met de elektrolyt te verminderen en warmteontwikkeling te beperken.

3. Gebruiksscenario: gecontroleerde omgeving en genormaliseerde bediening

• Zachte gebruiksomgeving

Apparaten voor consumentenelektronica worden doorgaans gebruikt bij kamertemperatuur (0-40°C) en zelden blootgesteld aan extreme hoge temperaturen (zoals binnenin een auto in direct zonlicht) of lage temperaturen. Daarentegen moeten stroombatterijen zich aanpassen aan een breed temperatuurbereik van -30°C tot 60°C, wat een hoger risico op thermische doorloping met zich meebrengt.

• Specificaties voor laadgedrag

Gebruikers maken over het algemeen gebruik van de originele lader (met afgestemde uitgangsvermogen) om overladen of overvoltage te voorkomen;

Vermijd langdurig opladen 's nachts: Veel apparaten (zoals mobiele telefoons) stoppen automatisch met opladen nadat ze volledig zijn opgeladen, waardoor de tijd dat de batterij volledig is opgeladen wordt beperkt (een volledig opgeladen batterij heeft een hoge chemische activiteit en een licht verhoogd risico op thermisch doorlopen).

• Volledige fysieke bescherming

De behuizing van het apparaat is ontworpen met valbescherming in gedachten (bijvoorbeeld verdikte telefoonframes en verstevigde hoeken) om het risico op kortsluiting van de batterij door mechanische schade te verminderen.

Voorkom dat metalen vreemde voorwerpen de batterij doorboren: gebruikers bewaren meestal geen metalen voorwerpen zoals sleutels in direct contact met de batterij, wat de kans op kortsluiting verlaagt.

4. Toezicht door de industrie: strikte normen en aansprakelijkheid

• Internationale veiligheidscertificering

UL 1642: Test de veiligheid van de batterij onder extreme omstandigheden zoals overladen, kortsluiting, samendrukking en doorboring;

IEC 62133: Specificeert de prestatie-eisen voor batterijen in hoge temperatuur-, lage temperatuur-, trillings- en andere omgevingen;

GB 31241: De verplichte standaard van China, die de vlamverspreidingstijd na thermische doorloping van een batterij specificeert (moet ≤30 seconden zijn).

Consumentenbatterijen moeten UL-, IEC-, GB- en andere standaardcertificeringen doorstaan, bijvoorbeeld:

• Terugroep- en aansprakelijkheidssysteem

Als bij batterijen van een bepaald merk regelmatig sprake is van thermische doorloping, moet de fabrikant een terugroepactie starten (zoals bij het incident met de Samsung Galaxy Note 7) en juridische verantwoordelijkheid dragen. Deze druk dwingt bedrijven ertoe de kwaliteit streng te controleren en naleving van veiligheidsvoorschriften te waarborgen in elk proces, van grondstofinkoop tot productie.

5. Vergelijking van tractiebatterijen: Waarom is het risico op thermische doorloping hoger?

• Grote capaciteit en hoge energiedichtheid

Accupacks bestaan uit duizenden cellen die in serie of parallel zijn geschakeld. De gecombineerde energie van elke cel versterkt de vernietigende kracht van thermische doorloping. Bijvoorbeeld: het accupack van de Tesla Model 3 heeft een capaciteit van ongeveer 75 kWh, en de vrijgekomen energie tijdens thermische doorloping is equivalent aan 15 kg TNT.

• Complexe gebruiksomgeving

Elektrische voertuigen moeten verschillende uitdagingen het hoofd bieden, zoals hoge en lage temperaturen, trillingen en botsingen. De consistentie van accucellen is moeilijk te garanderen, en plaatselijke veroudering of beschadiging kan een kettingreactie veroorzaken.

• Snellaad- en hoogvermogenvereisten

De tractieaccu moet snellaadvermogen van meer dan 150 kW ondersteunen. Laden en ontladen met hoge stroom veroorzaakt een ongelijke temperatuur binnen de accucel, waardoor het risico op thermische doorloping toeneemt.

6. conclusie

Thermische doorloping komt minder vaak voor in consumentenbatterijen, als gevolg van een conservatief technisch ontwerp, redundante veiligheidsmechanismen, beheersbare gebruiksscenario's en strikte branche-toezicht.