Prečo je termický prieskok vzácny v lítovo-iónových batériách pre spotrebiteľov?

Prípady tepelného sebazahrievania v spotrebných batériách (napríklad lítio-iónové batérie v mobilných telefónoch, notebookoch a iných zariadeniach) sú relatívne zriedkavé, hlavne kvôli ich konzervatívnej konštrukcii, nadbytočným bezpečnostným mechanizmom, kontrolovateľným podmienkam používania a prísnému dohľadu priemyslu.

1. Technický dizajn: konzervatívna stratégia znižuje riziko

• Malá kapacita a nízka energetická hustota

Obmedzenia kapacity: Spotrebné batériové články majú zvyčajne kapacitu medzi 1000 mAh a 5000 mAh (napr. batérie v mobilných telefónoch, približne 3000–5000 mAh), čo je výrazne nižšie ako u trakčných batérií (napr. batériové balíky v elektrických vozidlách, ktoré môžu dosiahnuť 50–100 kWh). Malokapacitné batérie uvoľňujú pri termickom rozbehu obmedzené množstvo energie, čo znižuje pravdepodobnosť násilného horenia alebo výbuchu, aj keby k poruche došlo.

Rovnováha energetickej hustoty: Za účelom vyváženia bezpečnosti a životnosti batérie sa vo spotrebných batériách často používa zrelý systém s grafitovou anódou a katódom z oxidu kobaltu a lítia (LiCoO₂) / trojzlúčeniny, namiesto kremíkových anód a vysokoniklových katód (ako NCM811/NCA), ktoré sú orientované na extrémnu energetickú hustotu. Katódy LiCoO₂ ponúkajú vyššiu chemickú stabilitu v porovnaní s vysokoniklovými materiálmi, čím znižujú riziko termického rozbehnutia.

• Optimalizácia štruktúry a chladiaceho dizajnu

Kompaktné usporiadanie: Zariadenia spotrebnej elektroniky majú obmedzený vnútorný priestor a batérie sú často tesne integrované s matičnou doskou a chladiacim modulom. Výrobcovia využívajú konštrukcie, ako sú grafénové chladiče, kapilárne rúrky na kvapalinové chladenie a heat-pipe technológie, ktoré urýchľujú odvod tepla a zabraňujú lokálnemu prehriatiu. Napríklad herné telefóny používajú viacvrstvovú štruktúru chladenia, aby chránili batériu pred dlhodobým vystavením vysokým teplotám.

Výbuchovej bezpečná konštrukcia: Skrinka batérie je vyrobená z nehorľavého materiálu PC/ABS, ktorý dokáže spomaliť šírenie ohňa, aj keď dojde k vnútornému horaniu; niektoré zariadenia okolo batérie plnia aerogélom alebo fázovo-meniacim sa materiálom, ktorý pohlcuje teplo a izoluje kyslík.

• Bezpečnostný ventil a membránová technológia

Bezpečnostný ventil: Keď je vnútorný tlak v batérii príliš vysoký (napríklad v počiatočných štádiách termického rozbehu), bezpečnostný ventil praskne a uvoľní plyn, čím zabráni výbuchu.

Oddelovač s keramickým povlakom: Na povrch konvenčného polyetylénového (PE) oddelovača sa nanáša keramická vrstva, aby sa zlepšila jeho odolnosť voči vysokým teplotám. Aj v prípade lokálneho skratu sa oddelovač nebude rýchlo smršťovať a spôsobiť kontakt medzi kladnou a zápornou elektródou, čím sa zabráni reťazovej reakcii termického rozbehu.

2. Bezpečnostný mechanizmus: viacnásobný redundantný dizajn ochrany

• Dokonalosť systému riadenia batérie (BMS)

Ochrana proti prebitiu/prehĺbenému vybitiu: Keď sa napätie batérie približuje ku 4,35 V (prah prebitia), BMS preruší nabíjací obvod; keď je napätie nižšie ako 2,5 V, vybínanie je zakázané, aby sa predišlo poškodeniu batérie.

Sledovanie teploty: Vstavaný snímač teploty sleduje teplotu batérie v reálnom čase. Keď teplota presiahne 45 °C, spustí sa chladenie (napríklad zníženie nabíjacejho výkonu) alebo alarm. Keď je teplota príliš vysoká (napríklad vyššia ako 60 °C), je napájanie priamo odpojené.

Obmedzenie prúdu: Keď je vybíjací prúd príliš veľký (napríklad pri skratu), systém BMS spustí poistný mechanizmus alebo obmedzí výstupný výkon, aby sa predišlo prehriatiu spôsobenému preťažením prúdom.

• Konzervatívna stratégia rýchleho nabíjania

Rýchle nabíjanie spotrebnej batérie zvyčajne využíva viacstupňové nabíjanie (napríklad najskôr konštantný prúd a potom konštantné napätie) a po dosiahnutí kapacity batérie 80 % prechádza na kapacitné nabíjanie, čím sa zníži hromadenie tepla.

Obmedzenie nabíjacieho výkonu: Napríklad rýchle nabíjanie mobilných telefónov je väčšinou v rozmedzí 20–100 W, čo je oveľa nižšie ako rýchle nabíjanie elektrických vozidiel nad 150 kW, čím sa zníži riziko tepelného uvoľnenia.

• Zvýšená nehorľavosť materiálov

Do elektrolytu sa pridávajú protipožiarne prísady (napríklad fosforečnany), ktoré potláčajú spaľovaciu reakciu;

Povrch kladného elektródového materiálu je pokrytý inertnou vrstvou, ako je oxid hliníkový (Al₂O₃), aby sa znížili vedľajšie reakcie s elektrolytom a znížilo sa tvorenie tepla.

3. Prípad použitia: kontrolované prostredie a štandardizovaný prevádzkový režim

• Jemné prevádzkové prostredie

Zariadenia spotrebnej elektroniky sa zvyčajne používajú pri izbovej teplote (0–40 °C) a zriedka sú vystavené extrémne vysokým teplotám (napríklad vo vnútri auta na priamom slnečnom svetle) alebo nízkym teplotám. Naproti tomu trakčné batérie musia byť prispôsobené širokému rozsahu teplôt od -30 °C do 60 °C, čo predstavuje vyššie riziko tepelného uvoľnenia.

• Špecifikácie správania pri nabíjaní

Používatelia zvyčajne používajú originálny nabíjač (so zhodným výstupným výkonom), aby sa vyhli prebitiu alebo prepätí;

Vyhnite sa dlhodobému nabíjaniu cez noc: Mnohé zariadenia (napríklad mobilné telefóny) automaticky ukončia nabíjanie po dosiahnutí plnej kapacity, čím skracujú dobu, po ktorú batéria zostáva plne nabitá (plne nabitá batéria má vysokú chemickú aktivitu a mierne zvýšené riziko tepelného rozbehu).

• Kompletná fyzická ochrana

Plášť zariadenia je navrhnutý s ohľadom na ochranu pred pádom (napríklad hrubšie rámy telefónov a posilnené rohy), čo zníži riziko skratu batérie spôsobené mechanickým poškodením.

Zabráňte prebitiu batérie kovovými cudzími predmetmi: Používatelia zvyčajne neukladajú kovové predmety, ako sú kľúče, priamo do kontaktu s batériou, čím sa zníži pravdepodobnosť skratu.

4. Dozor v odvetví: prísne normy a zodpovednosť

• Medzinárodné bezpečnostné certifikácie

UL 1642: Testuje bezpečnosť batérie za extrémnych podmienok, ako je prebitie, skrat, stlačenie a prepichnutie;

IEC 62133: Špecifikuje požiadavky na výkon batérií v podmienkach vysokých a nízkych teplôt, vibrácií a iných prostredí;

GB 31241: Čínsky povinný štandard, ktorý špecifikuje čas šírenia plameňa po termálnom uvoľnení batérie (musí byť ≤30 sekúnd).

Spotrebiteľské batérie musia prejsť certifikáciami podľa štandardov UL, IEC, GB a iných, napríklad:

• Systém spätného odvolania a zodpovednosti

Ak u batérií konkrétnej značky dochádza často k termálnemu uvoľneniu, výrobca je povinný iniciovať ich spätné odvolanie (ako v prípade Samsung Galaxy Note 7) a niesť právnu zodpovednosť. Tento tlak núti spoločnosti prísne kontrolovať kvalitu a zabezpečovať dodržiavanie bezpečnostných predpisov vo všetkých procesoch, od nákupu surovín až po výrobu.

5. Porovnanie trakčných batérií: Prečo je vyššie riziko termálneho uvoľnenia?

• Veľká kapacita a vysoká energetická hustota

Výkonové batérie pozostávajú z tisícov článkov zapojených do série alebo paralelne. Kombinovaná energia každého článku znásobuje deštruktívnu silu tepelného uvoľňovania. Napríklad batériový balík Tesla Model 3 má kapacitu približne 75 kWh a energia uvoľnená pri tepelnom uvoľňovaní je ekvivalentná 15 kg trhaviny TNT.

• Zložité prevádzkové prostredie

Elektrické vozidlá musia čeliť viacerým výzvam, ako sú vysoké a nízke teploty, vibrácie a nárazy. Konzistencia batériových článkov je ťažké zabezpečiť a miestne starnutie alebo poškodenie môže spustiť reťazovú reakciu.

• Rýchle nabíjanie a vysoké požiadavky na výkon

Výkonová batéria musí podporovať rýchlenabíjanie viac ako 150 kW. Nabíjanie a vybíjanie vysokým prúdom spôsobuje nerovnomerné zahrievanie vo vnútri batériového článku, čo zvyšuje riziko tepelného uvoľňovania.

6. záver

Termálny únik je menej bežný v spotrebiteľských batériách, čo je výsledkom konzervatívneho technického návrhu, nadbytočných bezpečnostných mechanizmov, kontrolovateľných podmienok používania a prísneho dohľadu odvetvia.