Dlaczego termiczne przejście jest rzadkie w bateriach litowo-jonowych dla użytkowników?

Zdarzenia zagrożenia termicznego w bateriach użytkowych (takich jak baterie litowo-jonowe w telefonach komórkowych, laptopach i innych urządzeniach) są stosunkowo rzadkie, głównie dzięki konserwatywnemu projektowaniu, redundantnym mechanizmom bezpieczeństwa, kontrolowanym scenariuszom użycia oraz rygorystycznemu nadzorowi branżowemu.

1. Projekt techniczny: strategia konserwatywna redukuje ryzyko

• Mała pojemność i niska gęstość energii

Ograniczenia pojemności: ogniwa baterii użytkowych mają zazwyczaj pojemność od 1000 mAh do 5000 mAh (np. baterie telefonów komórkowych, około 3000–5000 mAh), co jest znacznie niższe niż w przypadku akumulatorów trakcyjnych (np. zestawy baterii w pojazdach elektrycznych, które mogą osiągać 50–100 kWh). Małopojemne baterie podczas termicznego przejścia wydzielają ograniczoną ilość energii, przez co nawet w przypadku awarii rzadziej dochodzi do gwałtownego zapłonu lub eksplozji.

Równowaga gęstości energii: w celu uzyskania kompromisu między bezpieczeństwem a żywotnością baterii, ogniwa użytkowe często wykorzystują sprawdzony system z anodą grafitową i katodą z tlenkiem litu i kobaltu (LiCoO₂) / katodą trójskładnikową, a nie anodę krzemową i katodę o wysokiej zawartości niklu (np. NCM811/NCA), dążącą do maksymalnej gęstości energii. Katody LiCoO₂ charakteryzują się lepszą stabilnością chemiczną niż materiały o wysokiej zawartości niklu, co zmniejsza ryzyko termicznego przejścia.

• Optymalizacja konstrukcji i projektowanie odprowadzania ciepła

Kompaktowa konstrukcja: Urządzenia elektroniki użytkowej mają ograniczoną przestrzeń wewnętrzną, a baterie są często ściśle zintegrowane z płytą główną i modułem chłodzenia. Producenci wykorzystują rozwiązania takie jak radiator grafenowy, rury do chłodzenia cieczowego oraz rury cieplne w celu przyspieszenia przewodzenia ciepła i zapobiegania lokalnemu przegrzaniu. Na przykład telefony do gier korzystają z wielowarstwowej struktury odprowadzania ciepła, aby chronić baterię przed długotrwałym działaniem wysokich temperatur.

Konstrukcja przeciwwybuchowa: Obudowa baterii wykonana jest z samogasnącego materiału PC/ABS, który może spowolnić rozprzestrzenianie się ognia nawet w przypadku wewnętrznego zapalenia się; niektóre urządzenia wypełniają przestrzeń wokół baterii aerogelem lub materiałem zmieniającym fazę, aby pochłaniać ciepło i izolować tlen.

• Technologia zaworu bezpieczeństwa i membrany

Zawór bezpieczeństwa: Gdy ciśnienie wewnętrzne baterii staje się zbyt wysokie (np. na wczesnym etapie niekontrolowanego wzrostu temperatury), zawór bezpieczeństwa pęka i uwalnia gaz, zapobiegając wybuchowi.

Separator pokryty ceramiką: Warstwa ceramiczna jest nanoszona na powierzchnię konwencjonalnego separatora polietylenowego (PE), aby poprawić jego odporność na wysoką temperaturę. Nawet w przypadku lokalnego zwarcia separator nie ulegnie szybkiemu skurczeniu, które mogłoby spowodować kontakt między elektrodami dodatnią a ujemną, zapobiegając w ten sposób reakcji łańcuchowej typu thermal runaway.

2. Mechanizm bezpieczeństwa: wielokrotny projekt ochrony rezerwowej

• Doskonalenie systemu zarządzania baterią (BMS)

Ochrona przed przeciążeniem/przerysowaniem: Gdy napięcie baterii zbliża się do 4,35 V (próg przeciążenia), BMS wyłącza obwód ładowania; gdy napięcie spadnie poniżej 2,5 V, wyładowanie jest blokowane w celu zapobieżenia uszkodzeniu baterii.

Monitorowanie temperatury: wbudowany czujnik temperatury monitoruje temperaturę baterii w czasie rzeczywistym. Gdy temperatura przekracza 45 °C, uruchamiane jest chłodzenie (np. zmniejszenie mocy ładowania) lub alarm. Gdy temperatura jest zbyt wysoka (np. powyżej 60 °C), zasilanie jest bezpośrednio odcięte.

Ograniczenie bieżące: Gdy prąd rozładowania jest zbyt duży (np. w przypadku zwarcia), system BMS uruchamia mechanizm bezpiecznika lub ogranicza moc wyjściową, aby zapobiec przegrzaniu spowodowanemu przeciążeniem prądowym.

• Konserwatywna strategia szybkiego ładowania

Szybkie ładowanie baterii konsumenckich zwykle wykorzystuje ładowanie segmentowe (np. najpierw prąd stały, a następnie napięcie stałe) i przełącza się na ładowanie kropelkowe po osiągnięciu 80% pojemności baterii, aby zmniejszyć nagromadzenie ciepła.

Ograniczenie mocy ładowania: Na przykład moc szybkiego ładowania telefonów komórkowych mieści się najczęściej w przedziale 20–100 W, co jest znacznie niższe niż szybkie ładowanie pojazdów elektrycznych powyżej 150 kW, co zmniejsza ryzyko niekontrolowanego wzrostu temperatury.

• Wzmocniona działanie przeciwpożarowe materiałów

Dodawanie dodatków zapobiegających paleniu (np. fosforanów) do elektrolitu w celu hamowania reakcji spalania;

Powierzchnia materiału elektrody dodatniej jest pokryta warstwą obojętną, taką jak tlenek glinu (Al₂O₃), w celu zmniejszenia reakcji ubocznych z elektrolitem i ograniczenia wydzielania się ciepła.

3. Scenariusz użycia: kontrolowane środowisko i ustandaryzowana obsługa

• Delikatne środowisko użytkowania

Urządzenia elektroniczne użytkowe są zazwyczaj używane w temperaturze pokojowej (0–40°C) i rzadko narażane są na skrajne wysokie temperatury (np. wewnątrz samochodu na słońcu) lub niskie temperatury. Natomiast baterie trakcyjne muszą dostosować się do szerokiego zakresu temperatur od -30°C do 60°C, co wiąże się z wyższym ryzykiem niekontrolowanego rozgrzania.

• Zasady zachowania podczas ładowania

Użytkownicy zazwyczaj korzystają z oryginalnego ładowarki (o dopasowanej mocy wyjściowej), aby uniknąć przeciążenia lub przepięcia;

Unikaj długotrwałego ładowania w nocy: Wiele urządzeń (takich jak telefony komórkowe) automatycznie przestaje ładować się po pełnym naładowaniu, zmniejszając czas, przez który bateria pozostaje w pełni naładowana (w pełni naładowana bateria ma wysoką aktywność chemiczną i nieco zwiększony ryzyko rozbiegania termicznego).

• Pełna ochrona fizyczna

Obudowa urządzenia została zaprojektowana z myślą o ochronie przed upadkiem (np. grubszą ramą telefonu i wzmocnionymi narożnikami), aby zmniejszyć ryzyko zwarcia baterii spowodowanego uszkodzeniem mechanicznym.

Zapobiegaj przedostawaniu się metalowych obcych przedmiotów do baterii: użytkownicy zazwyczaj nie wkładają bezpośrednio do kontaktu z baterią metalowych przedmiotów, takich jak klucze, co zmniejsza prawdopodobieństwo zwarcia.

4. Nadzór branżowy: ścisłe standardy i odpowiedzialność

• Międzynarodowe certyfikaty bezpieczeństwa

UL 1642: Testuje bezpieczeństwo baterii w ekstremalnych warunkach, takich jak przeładowanie, zwarcie, ściskanie i przebicie;

IEC 62133: Określa wymagania dotyczące wydajności baterii w warunkach wysokiej i niskiej temperatury, wibracji oraz innych środowisk;

GB 31241: Obowiązkowy standard Chin, który określa czas rozprzestrzeniania się ognia po termicznym zastrzygu baterii (musi wynosić ≤30 sekund).

Baterie konsumenckie muszą przejść certyfikację zgodnie ze standardami UL, IEC, GB oraz innymi, na przykład:

• System wycofywania i odpowiedzialności

Jeśli baterie konkretnej marki często doświadczają termicznego zastrzygu, producent jest zobowiązany do zainicjowania wycofania (jak miało to miejsce w przypadku Samsung Galaxy Note 7) oraz poniesienia odpowiedzialności prawnej. To presja zmusza firmy do rygorystycznego kontroli jakości, zapewniając zgodność z przepisami bezpieczeństwa we wszystkich procesach, od zakupu surowców po produkcję.

5. Porównanie baterii trakcyjnych: Dlaczego większe jest ryzyko termicznego zastrzygu?

• Duża pojemność i wysoka gęstość energii

Pakiety akumulatorów trakcyjnych składają się z tysięcy ogniw połączonych szeregowo lub równolegle. Łączna energia każdego ogniva nasila destrukcyjną siłę przejścia cieplnego. Na przykład pakuje akumulatorowy Tesla Model 3 ma pojemność około 75 kWh, a energia wydzielona podczas przejścia cieplnego odpowiada 15 kg trotylu.

• Złożone środowisko użytkowania

Pojazdy elektryczne muszą radzić sobie z wieloma wyzwaniami, takimi jak wysokie i niskie temperatury, wibracje oraz kolizje. Trudno zapewnić jednolitość ogniw akumulatora, a lokalne starzenie się lub uszkodzenia mogą wywołać reakcję łańcuchową.

• Szybkie ładowanie i wysokie wymagania mocy

Akumulator trakcyjny musi wspierać szybkie ładowanie o mocy powyżej 150 kW. Ładowanie i rozładowywanie prądem wysokiego natężenia powoduje nierównomierne nagrzanie wnętrza ogniw, zwiększając ryzyko przejścia cieplnego.

6. podsumowując

Bieg termiczny występuje rzadziej w bateriach użytkowych, co jest wynikiem konserwatywnego projektu technicznego, redundantnych mechanizmów bezpieczeństwa, kontrolowalnych scenariuszy użycia oraz rygorystycznego nadzoru branżowego.