De ce este raremișul termic rar la bateriile Li-ion pentru consumatori?

Incidente de tipul „runaway termic” în cazul bateriilor pentru consumatori (cum ar fi bateriile cu litiu-ion din telefoane mobile, laptopuri și alte dispozitive) sunt relativ rare, în principal datorită proiectării lor conservative, mecanismelor de siguranță redundante, scenariilor de utilizare controlabile și supravegherii stricte din partea industriei.

1. Proiectare tehnică: strategia conservatoare reduce riscul

• Capacitate mică și densitate energetică scăzută

Limitări de capacitate: Celulele pentru baterii de consum au în general o capacitate între 1000 mAh și 5000 mAh (de exemplu, bateriile de telefon mobil, aproximativ 3000–5000 mAh), semnificativ mai scăzută decât cea a bateriilor pentru propulsie (de exemplu, pachetele de baterii pentru vehicule electrice, care pot ajunge la 50–100 kWh). Bateriile de capacitate mică eliberează o cantitate limitată de energie în timpul furtunii termice, ceea ce le face mai puțin predispuși la ardere violentă sau explozie, chiar dacă apare o defecțiune.

Echilibrul densității energetice: Pentru a echilibra siguranța și durata de viață a bateriei, bateriile de consum folosesc adesea un sistem matur compus dintr-un anod de grafit și catod de oxid de litiu-cobalt (LiCO)/ternar, în loc să utilizeze un anod pe bază de siliciu și catod cu conținut ridicat de nichel (cum ar fi NCM811/NCA), care urmărește o densitate energetică extremă. Catodurile LiCO oferă o stabilitate chimică superioară materialelor cu conținut ridicat de nichel, reducând riscul de furtună termică.

• Optimizarea structurală și proiectarea sistemului de disipare a căldurii

Configurație compactă: Dispozitivele electronice de consum au un spațiu intern limitat, iar bateriile sunt adesea integrate strâns cu placa de bază și modulul de răcire. Producătorii utilizează soluții precum radiatoare din grafen, țevi de răcire lichidă și țevi termice pentru a accelera conducția căldurii și a preveni supraîncălzirea localizată. De exemplu, telefoanele pentru jocuri video folosesc o structură stratificată de disipare a căldurii pentru a proteja bateria de temperaturi ridicate prelungite.

Structură anti-explozie: Carcasa bateriei este realizată din material ignifug PC/ABS, care poate încetini răspândirea focului chiar dacă arderea are loc în interior; unele dispozitive umplu spațiul din jurul bateriei cu aerogel sau materiale cu schimbare de fază pentru a absorbi căldura și a izola oxigenul.

• Tehnologia supapei de siguranță și diafragmei

Supapă de siguranță: Atunci când presiunea din interiorul bateriei este prea mare (de exemplu, în stadiile incipiente ale derapajului termic), supapa de siguranță se va sparge pentru a elibera gazul și a preveni explozia.

Separator cu acoperire ceramică: Un strat ceramic este aplicat pe suprafața unui separator convențional din polietilenă (PE) pentru a îmbunătăți rezistența la temperaturi ridicate. Chiar și în cazul unui scurtcircuit local, separatorul nu se va contracta rapid, provocând contact între electrozii pozitiv și negativ, prevenind astfel o reacție în lanț de tip runaway termic.

2. Mecanism de siguranță: proiectare redundantă cu protecție multiplă

• Refinarea Sistemului de Management al Bateriei (BMS)

Protecție împotriva suprasarcinii/descărcării excesive: Atunci când tensiunea bateriei se apropie de 4,35 V (pragul de suprasarcină), BMS va întrerupe circuitul de încărcare; atunci când tensiunea este mai mică de 2,5 V, descărcarea este interzisă pentru a preveni deteriorarea bateriei.

Monitorizarea temperaturii: Senzorul intern de temperatură monitorizează în timp real temperatura bateriei. Când temperatura depășește 45°C, este activat un sistem de răcire (de exemplu, reducerea puterii de încărcare) sau un alarmă. Atunci când temperatura este prea ridicată (de exemplu, peste 60°C), alimentarea cu energie este întreruptă direct.

Limitare curentă: Atunci când curentul de descărcare este prea mare (de exemplu, un scurtcircuit), BMS va declanșa un mecanism de siguranță sau va limita puterea de ieșire pentru a preveni supraîncălzirea cauzată de suprasarcina de curent.

• Strategie conservatoare de încărcare rapidă

Încărcarea rapidă a bateriilor pentru consumatori adoptă de obicei o încărcare segmentată (cum ar fi curent constant mai întâi, apoi tensiune constantă) și comută la încărcare lentă după ce nivelul bateriei atinge 80%, pentru a reduce acumularea de căldură.

Limitare putere încărcare: De exemplu, puterea de încărcare rapidă a telefoanelor mobile este în majoritatea cazurilor între 20-100 W, mult mai mică decât încărcarea rapidă de 150 kW și peste a vehiculelor electrice, reducând riscul de pierdere a controlului termic.

• Flamabilitate redusă îmbunătățită a materialelor

Adăugarea de aditivi ignifugi (cum ar fi fosfați) în electrolit pentru a inhiba reacția de ardere;

Suprafața materialului electrodului pozitiv este acoperită cu un strat inert, cum ar fi oxidul de aluminiu (Al₂O₃), pentru a reduce reacțiile secundare cu electrolitul și pentru a reduce generarea de căldură.

3. Scenariu de utilizare: mediu controlat și operațiune standardizată

• Mediu de utilizare blând

Dispozitivele electronice pentru consumator sunt utilizate în mod tipic la temperatura camerei (0-40°C) și rareori sunt expuse la temperaturi extreme ridicate (cum ar fi în interiorul unei mașini expuse la soarele direct) sau la temperaturi scăzute. În schimb, bateriile pentru propulsie trebuie să se adapteze la un interval larg de temperatură de la -30°C la 60°C, ceea ce implică un risc mai mare de pierdere a controlului termic.

• Specificații privind comportamentul la încărcare

Utilizatorii folosesc în general încărcătorul original (cu putere de ieșire potrivită) pentru a evita supraîncărcarea sau supratensiunea;

Evitați încărcarea prelungită în timpul nopții: Multe dispozitive (cum ar fi telefoanele mobile) se opresc automat din încărcare după ce sunt complet încărcate, reducând astfel durata în care bateria rămâne la capacitate maximă (o baterie complet încărcată are o activitate chimică ridicată și un risc ușor crescut de dezechilibru termic).

• Protecție fizică completă

Carcasa dispozitivului este concepută având în vedere protecția la cădere (de exemplu, cadre de telefon întărite și colțuri consolidate) pentru a reduce riscul de scurtcircuit al bateriei cauzat de deteriorări mecanice.

Preveniți obiectele străine metalice să pună bateria în scurtcircuit: utilizatorii de obicei nu introduc obiecte metalice precum cheile în contact direct cu bateria, ceea ce reduce probabilitatea de scurtcircuit.

4. Supraveghere industrială: standarde stricte și responsabilitate

• Certificare internațională de siguranță

UL 1642: Verifică siguranța bateriei în condiții extreme, cum ar fi supraincărcarea, scurtcircuitul, comprimarea și perforarea;

IEC 62133: Specifică cerințele de performanță ale bateriilor în condiții de temperatură ridicată, temperatură scăzută, vibrații și alte medii;

GB 31241: Standardul obligatoriu al Chinei, care specifică durata de răspândire a flăcării după derapaj termic al bateriei (trebuie să fie ≤30 de secunde).

Bateriile pentru consumatori trebuie să obțină certificări conform standardelor UL, IEC, GB și altele, de exemplu:

• Sistem de retragere și răspundere

Dacă bateriile unei anumite mărci experimentează frecvent derapaj termic, producătorul este obligat să inițieze o retragere (ca în cazul incidentului Samsung Galaxy Note 7) și să își asume responsabilitatea juridică. Această presiune forțează companiile să controleze riguros calitatea, asigurând conformitatea cu reglementările de siguranță în fiecare proces, de la achiziția materiilor prime până la producție.

5. Compararea bateriilor pentru propulsie: De ce este mai mare riscul de derapaj termic?

• Capacitate mare și densitate energetică ridicată

Pachetele de baterii electrice sunt compuse din mii de celule conectate în serie sau paralel. Energia combinată a fiecărei celule amplifică puterea distructivă a răspândirii termice. De exemplu, pachetul de baterii al modelului Tesla Model 3 are o capacitate de aproximativ 75kWh, iar energia eliberată în timpul răspândirii termice este echivalentă cu 15 kg de TNT.

• Mediu complex de utilizare

Vehiculele electrice trebuie să facă față mai multor provocări, cum ar fi temperaturi ridicate și scăzute, vibrații și coliziuni. Consistența celulelor de baterie este dificil de asigurat, iar îmbătrânirea sau deteriorarea locală poate declanșa o reacție în lanț.

• Încărcare rapidă și cerințe mari de putere

Bateria de tracțiune trebuie să susțină încărcarea rapidă de peste 150kW. Încărcarea și descărcarea cu curent înalt vor provoca o temperatură neuniformă în interiorul celulei de baterie, crescând riscul de răspândire termică.

6. în concluzie

Rularea termică este mai puțin frecventă în bateriile pentru consumatori, ca urmare a unui design tehnic conservator, a mecanismelor de siguranță redundante, a scenariilor de utilizare controlabile și a supravegherii stricte din partea industriei.