Зашто је термални ускрс редак код литијум-јонских батерија за потрошаче?

Инциденти топлотног превртања код потрошачких батерија (као што су литијум-јонске батерије у мобилним телефонима, лаптопима и другим уређајима) релативно су ретки, углавном због конзервативног дизајна, вишеструких безбедносних механизама, контролисаних услова коришћења и строге индустријске контроле.

1. Технички дизајн: конзервативна стратегија смањује ризик

• Мала капацитет и ниска густина енергије

Ограничења капацитета: Ћелије потрошачких батерија обично имају капацитет између 1000 mAh и 5000 mAh (нпр. батерије мобилних телефона, око 3000–5000 mAh), што је значајно ниже у односу на батерије за погон (нпр. пакети батерија за електрична возила, који могу достићи 50–100 kWh). Батерије малог капацитета ослобађају ограничено количину енергије током топлотног престреловања, због чега су мање склоне насилном паљењу или експлозији, чак и ако дође до квара.

Равнотежа густине енергије: Ради равнотеже између безбедности и трајања батерије, потрошачке батерије често користе зрели систем са графитном анодом и катодом од литијум-кобалт оксида (LiCO)/тернарном катодом, уместо силицијумске аноде и високо-никелне катоде (као што су NCM811/NCA) која тежи максималној густини енергије. LiCO катоде имају бољу хемијску стабилност у односу на високо-никелне материјале, чиме се смањује ризик топлотног престреловања.

• Оптимизација конструкције и дизајн расипања топлоте

Компактна конструкција: Уређаји за потрошачку електронику имају ограничен простор унутра, а батерије су често чврсто интегрисане са матичном плочом и модулом за хлађење. Произвођачи користе конструкције као што су графенски радијатори, цеви за течности и цеви за пренос топлоте како би убрзали провођење топлоте и спречили локално прекомерно загревање. На пример, гејминг телефони користе вишеслојну структуру за расипање топлоте како би заштитили батерију од дуготрајних високих температура.

Експлозијом сигурна конструкција: Кућиште батерије израђено је од самогашећег PC/ABS материјала, који може успорити ширење ватре чак и ако дође до уништавања изнутра; неки уређаји испуњавају аерогел или материјал који мења фазу око батерије како би апсорбовали топлоту и изоловали кисеоник.

• Технологија сигурносног вентила и мембране

Сигурносни вентил: Када притисак унутар батерије буде превелики (на пример у раној фази термалног деловања), сигурносни вентил ће прскнути и ослободити гас како би спречио експлозију.

Сепаратор са керамичким премазом: На површину конвенционалног полиетиленског (PE) сепаратора наноси се керамички слој како би се побољшала отпорност на високе температуре. Чак и у случају локалног кратког споја, сепаратор се неће брзо скупити и довести до контакта између позитивне и негативне електроде, чиме се спречава ланчана реакција топлотног развођења.

2. Механизам за безбедност: вишеструки редундантни дизајн заштите

• Усавршавање система за управљање батеријом (BMS)

Заштита од прекомерног пуњења/пражњења: Када напон батерије приђе 4,35 V (праг прекомерног пуњења), BMS ће искључити коло за пуњење; када је напон испод 2,5 V, пражњење је забрањено како би се спречило оштећење батерије.

Мониторинг температуре: Уграђени сензор температуре у стварном времену прати температуру батерије. Када температура пређе 45°C, активира се хлађење (на пример смањење снаге пуњења) или аларм. Када је температура превисока (на пример преко 60°C), напајање се директно искључује.

Ограничење у тренутном тренутку: Када је струја превелика (на пример, кратки спој), BMS ће активирати осигурач или ограничити излазну снагу како би се спречило прегревање услед прекомерне струје.

• Конзервативна стратегија брзог пуњења

Брзо пуњење потрошачких батерија обично користи сегментно пуњење (на пример, прво константна струја, затим константан напон) и прелази на капљасто пуњење када батерија достигне 80% капацитета, како би се смањило накупљање топлоте.

Ограничење снаге приликом пуњења: На пример, снага брзог пуњења мобилних телефона најчешће је између 20–100 W, што је знатно ниже од брзог пуњења електричних возила које износи 150 kW и више, чиме се смањује ризик од термалног пробоја.

• Побољшана запаљивост материјала

Додавање антипожарних додатака (на пример, фосфата) у електролит како би се инхибисала реакција горења;

Површина позитивне електроде прекривена је инертним слојем као што је алуминијум оксид (Al₂O₃) како би се смањиле споредне реакције са електролитом и смањило генерисање топлоте.

3. Сценарио употребе: контролисана средина и стандардизована операција

• Блага средина употребе

Уређаји за потрошачку електронику обично се користе на собној температури (0-40°C) и ретко су изложени екстремно високим температурама (на пример, у аутомобилу на директној сунчевој светлости) или ниским температурама. Насупрот томе, погонске батерије морају да се прилагоде широком опсегу температура од -30°C до 60°C, чиме се повећава ризик од топлотног престреливања.

• Спецификације понашања приликом пуњења

Корисници углавном користе оригинални пуњач (са усклађеном излазном снагом) како би избегли прекомерно пуњење или прекомеран напон;

Izbegavajte produženo punjenje tokom noći: Mnogi uređaji (kao što su mobilni telefoni) automatski prestaju sa punjenjem nakon što se potpuno napune, smanjujući vreme provedeno u potpuno napunjenom stanju (baterija u potpunosti napunjena ima visoku hemijsku aktivnost i blago povećan rizik od termičkog propadanja).

• Potpuna fizička zaštita

Kućište uređaja je projektovano sa osvrtom na zaštitu pri padu (npr. deblji okviri telefona i ojačani uglovi) kako bi se smanjio rizik od kvarova baterije uzrokovanih mehaničkim oštećenjima.

Sprečite da metalni strani predmeti probiju bateriju: korisnici obično ne stavljaju metalne predmete poput ključeva u direktni kontakt sa baterijom, čime se smanjuje verovatnoća kratkog spoja.

4. Nadzor u industriji: strogi standardi i odgovornost

• Međunarodna sertifikacija sigurnosti

UL 1642: Testira bezbednost baterije u ekstremnim uslovima kao što su prekomerno punjenje, kratki spoj, sabijanje i probijanje;

IEC 62133: Propisuje zahteve za performanse baterija u uslovima visoke temperature, niske temperature, vibracija i drugih sredina;

GB 31241: Obavezni standard Kine, koji propisuje vreme širenja plamena nakon termičkog odvijanja baterije (mora biti ≤30 sekundi).

Potrošačke baterije moraju proći certifikaciju prema UL, IEC, GB i drugim standardima, na primer:

• Sistem povraćaja i odgovornosti

Ako kod baterija određenog brenda često dolazi do termičkog odvijanja, proizvođač je dužan da pokrene povraćaj (kao u slučaju Samsung Galaxy Note 7) i snosi pravnu odgovornost. Taj pritisak tera kompanije da strogo kontrolišu kvalitet, osiguravajući poštovanje sigurnosnih propisa u svakom procesu, od nabavke sirovina do proizvodnje.

5. Poređenje pogonskih baterija: Zašto je veći rizik od termičkog odvijanja?

• Veliki kapacitet i visoka gustina energije

Батерије за напон чине се од хиљада ћелија повезаних у серији или паралелно. Комбинована енергија сваке ћелије појачава деструктивну моћ топлотне бегања. На пример, батерија Тесла Модел 3 има капацитет од око 75 кВтц, а енергија ослобођена током топлотне излазне је еквивалентна 15 кг ТНТ-а.

• Комплексна средина коришћења

Електрична возила морају да се суоче са вишебројним изазовима као што су високе и ниске температуре, вибрације и сукоби. Тешко је осигурати конзистенцију батеријских ћелија, а локално старење или оштећење могу изазвати ланчану реакцију.

• Брзо пуњење и захтеви за високу енергију

Батерија за напајање мора да подржава брзо пуњење више од 150 кВт. Висока струја пуњења и пуњења изазива неједнаку температуру унутар батеријске ћелије, што повећава ризик од топлотне несташице.

6. у закључку

Termalni ubeg je ređi kod potrošačkih baterija, što je posledica konzervativnog tehničkog dizajna, višestrukih bezbednosnih mehanizama, kontrolisanih scenarija korišćenja i stroge industrijske kontrole.