Hvorfor er termisk gjennomløp sjeldent i forbrukerens Li-ion-batterier?

Termisk gjennomløpshendelser i forbrukerbatterier (som litium-ionebatterier i mobiltelefoner, bærbare datamaskiner og andre enheter) er relativt sjeldne, hovedsakelig på grunn av deres konservative design, ekstra sikkerhetsmekanismer, kontrollerbare bruksområder og streng industriell tilsyn.

1. Teknisk design: konservativ strategi reduserer risiko

• Liten kapasitet og lav energitetthet

Kapasitetsbegrensninger: Forbrukerbattericeller har vanligvis en kapasitet mellom 1000 mAh og 5000 mAh (f.eks. mobiltelefonbatterier, ca. 3000–5000 mAh), betydelig lavere enn effektbatterier (f.eks. batteripakker i elbiler, som kan nå 50–100 kWh). Småbatterier utløser begrenset energi under termisk ubeherskethet, noe som gjør at de sjeldnere forårsaker voldsom forbrenning eller eksplosjon selv om det oppstår feil.

Balansert energitetthet: For å balansere sikkerhet og levetid, bruker forbrukerbatterier ofte et modent system med grafittanode og litiumkoboltoksid (LiCO)/ternært katode, i stedet for silisiumbasert anode og høy-nikkelkatode (som NCM811/NCA) som søker ekstrem energitetthet. LiCO-katoder har bedre kjemisk stabilitet enn høy-nikkelmaterialer, noe som reduserer risikoen for termisk ubeherskethet.

• Strukturell optimalisering og varmeavledningsdesign

Kompakt layout: Konsumentelektronikk har begrenset innvendig plass, og batterier er ofte tett integrert med hovedkortet og kjølemodulen. Produsenter bruker design som grafén-kjøler, væskekjølerør og varmelederrør for å akselerere varmeledning og forhindre lokal oppvarming. For eksempel benytter spilltelefoner en flerlaget kjølestruktur for å beskytte batteriet mot langvarig høy temperatur.

Eksplosjonssikker konstruksjon: Batteriets kappe er laget av flammehemmende PC/ABS-materiale, som kan sakte ned brannspredning selv ved intern forbrenning; noen enheter fyller aerogel eller faseendringsmateriale rundt batteriet for å absorbere varme og isolere oksygen.

• Sikkerhetsventil og membranteknologi

Sikkerhetsventil: Når trykket inne i batteriet blir for høyt (for eksempel i de tidlige stadiene av termisk ubeherskethet), vil sikkerhetsventilen briste og slippe ut gass for å forhindre eksplosjon.

Keramiskbelagt separator: Et keramisk lag påføres overflaten av en konvensjonell polyeten (PE)-separator for å forbedre dens varmebestandighet. Selv ved lokal kortslutning vil ikke separatoren trekke seg sammen raskt og føre til kontakt mellom de positive og negative elektrodene, noe som dermed forhindrer en termisk ubeherskelse-kjedereaksjon.

2. Sikkerhetsmekanisme: flerfoldig beskyttelsesdesign med redundans

• Batteristyringssystem (BMS) forbedring

Overlading/utladningssikring: Når batterispenningen nærmer seg 4,35 V (overladingsterskel), vil BMS kutte av ladekretsen; når spenningen er under 2,5 V, sperres utlading for å unngå skade på batteriet.

Temperaturövervåking: Den innebygde temperatursensoren overvåker batteritemperaturen i sanntid. Når temperaturen overstiger 45 °C, aktiveres kjøling (for eksempel redusert ladeeffekt) eller et varsel. Når temperaturen blir for høy (for eksempel over 60 °C), kuttes strømforsyningen direkte av.

Gjeldende begrensning: Når utladningsstrømmen er for stor (for eksempel ved kortslutning), vil BMS utløse en sikringsmekanisme eller begrense effekten for å hindre overoppheting forårsaket av strømoverbelastning.

• Konservativ hurtigladingstrategi

Forbrukerbatteriers hurtiglading bruker vanligvis segmentert lading (for eksempel konstant strøm først, deretter konstant spenning) og bytter til svært langsom lading når batteristrømmen når 80 % for å redusere varmeopphoping.

Ladeeffektbegrensning: For eksempel er hurtigladeeffekten for mobiltelefoner mesteparten mellom 20–100 W, som er mye lavere enn de 150 kW og høyere hurtigladeeffekter som brukes i elektriske kjøretøy, noe som reduserer risikoen for termisk ubeherskethet.

• Forbedret flammehemming av materialer

Tilsett flammehemmende additiver (for eksempel fosfater) i elektrolytten for å dempe forbrenningsreaksjonen;

Overflaten på den positive elektrodematerialet er belagt med et inaktivt lag, for eksempel aluminiumoksid (Al₂O₃), for å redusere sidevirkninger med elektrolytten og minske varmeutvikling.

3. Brukssenario: kontrollert miljø og standardisert drift

• Mildt bruksmiljø

Konsumentelektronikk enheter brukes vanligvis ved romtemperatur (0–40 °C) og er sjelden utsatt for ekstreme høye temperaturer (for eksempel inne i en bil i direkte sollys) eller lave temperaturer. I motsetning til dette må kraftbatterier tilpasse seg et bredt temperaturområde fra -30 °C til 60 °C, noe som medfører større risiko for termisk ubeherskethet.

• Spesifikasjoner for oppladingsatferd

Brukere bruker vanligvis den originale laderen (med matchende utgangseffekt) for å unngå overopplading eller overspenning;

Unngå langvarig lading om natten: Mange enheter (som mobiltelefoner) vil automatisk stoppe ladingen når de er fullt oppladet, noe som reduserer tiden batteriet forblir fullt ladet (et fullt ladet batteri har høy kjemisk aktivitet og en litt økt risiko for termisk ubeherskethet).

• Fullstendig fysisk beskyttelse

Enhetskabinettet er designet med fallbeskyttelse i tankene (for eksempel tykkere telefonrammer og forsterkede hjørner) for å redusere risikoen for kortslutning i batteriet forårsaket av mekanisk skade.

Forhindre metallfremmedlegemer fra å gjennombore batteriet: Brukere pleier vanligvis ikke å legge metallgjenstander som nøkler i direkte kontakt med batteriet, noe som reduserer sannsynligheten for kortslutning.

4. Industriell tilsyn: strenge standarder og ansvarlighet

• Internasjonal sikkerhetsertifisering

UL 1642: Tester batterisikkerhet under ekstreme forhold som overopplading, kortslutning, klemming og gjennomboring;

IEC 62133: Spesifiserer krav til ytelse til batteri i høgtemperatur, lågtemperatur, vibrasjon og andre miljø.

GB 31241: Kinesisk obligatorisk standard som spesifiserer flammebreidingstiden etter at batteriet har gått ut av termisk kraft (må vera ≤ 30 sekund).

Forbrukarbatteri må gå gjennom UL, IEC, GB og andre standardsertifiseringar, til dømes:

• Tilbaketrekking og ansvarssystem

Dersom batteri frå eit bestemt merke ofte blir varmefrie, er produsenten pålagt å innlede ein tilbakekalling (som i Samsung Galaxy Note 7-hendinga) og ber juridisk ansvar. Dette presset tvinger selskapene til streng kvalitetskontroll, og til å sikre at tryggleiksreglar blir følgt gjennom alle prosessane, frå innkjøp av råvarer til produksjon.

5. Sammenligning av kraftbatterier: Hvorfor er risikoen for termisk løsrivning høyere?

• Stor kapasitet og høy energitetthet

Kraftbatteripakker består av tusenvis av celler koblet i serie eller parallelt. Den kombinerte energien fra hver celle forsterker den ødeleggende kraften ved termisk løsrivning. For eksempel har Tesla Model 3-batteripakken en kapasitet på ca. 75 kWh, og den frigjorte energien under termisk løsrivning tilsvarer 15 kg TNT.

• Kompleks bruksmiljø

Elbiler må håndtere flere utfordringer som høye og lave temperaturer, vibrasjoner og kollisjoner. Konsistensen mellom battericeller er vanskelig å sikre, og lokal aldring eller skade kan utløse en kjedereaksjon.

• Rask lading og høge kraftareglar

Batteriet treng støtte til rask lading på over 150 kW. Høy strøm på lading og utlading fører til ujevn temperatur inne i battericellen, og øker risikoen for at den blir kaldere.

6. til slutt

Termisk løype er mindre vanleg i forbruksbatteri, som eit resultat av konservativ teknisk utforming, overflødige tryggleiksmekanismar, kontrollerbare bruksscenariar og streng industriovervaking.