Varför termisk genombrott är sällsynt i konsumenters Li-jonbatterier?

Incidenter med termisk genomgång i konsumentbatterier (till exempel litiumjonbatterier i mobiltelefoner, bärbara datorer och andra enheter) är relativt sällsynta, främst på grund av deras konserverativa design, redundanta säkerhetsmekanismer, kontrollerbara användningsscenarier och strikt branschövervakning.

1. Teknisk design: konservativ strategi minskar risk

• Liten kapacitet och låg energitäthet

Kapacitetsbegränsningar: Konsumentbattericeller har vanligtvis en kapacitet mellan 1000 mAh och 5000 mAh (t.ex. mobiltelefonbatterier, cirka 3000–5000 mAh), vilket är avsevärt lägre än effektbatterier (t.ex. batteripack för elfordon, som kan nå 50–100 kWh). Små batterier avger begränsad energi vid termisk genomgång, vilket gör att de sannolikt inte orsakar våldsam förbränning eller explosion även om ett fel uppstår.

Balans i energitäthet: För att balansera säkerhet och batterilivslängd använder konsumentbatterier ofta ett mogna system med grafitanod och litiumkobaltoxid (LiCO)/ternär katod, snarare än en siliciumbaserad anod och högnickelkatod (t.ex. NCM811/NCA) som strävar efter extrem energitäthet. LiCO-katoder erbjuder bättre kemisk stabilitet än högnickelmaterial, vilket minskar risken för termisk genomgång.

• Strukturell optimering och värmeavledningsdesign

Kompakt layout: Konsumentelektronik har begränsat utrymme inuti enheten, och batterier är ofta tätt integrerade med moderkortet och kylmodulen. Tillverkare använder konstruktioner som grafen-värmesänkor, vätskekylrör och värmerör för att påskynda värmeledning och förhindra lokal överhettning. Till exempel använder speltelefoner en flerskiktad värmedissipationsstruktur för att skydda batteriet från långvarig hög temperatur.

Explosionsäker konstruktion: Batterihöljet är tillverkat av brandhämmande PC/ABS-material, vilket kan sakta ner spridningen av eld även om det brinner inuti; vissa enheter fyller aerogel eller fasändringsmaterial runt batteriet för att absorbera värme och isolera syre.

• Säkerhetsventil och membranteknologi

Säkerhetsventil: När trycket inuti batteriet blir för högt (till exempel i de tidiga stadierna av termisk genomlopp), kommer säkerhetsventilen att brista och släppa ut gas för att förhindra explosion.

Keramikbelagd separator: Ett keramiskt lager appliceras på ytan av en konventionell polyeten (PE) separator för att förbättra dess temperaturmotstånd vid höga temperaturer. Även vid ett lokalt kortslutning kommer separatoren inte att krympa snabbt och orsaka kontakt mellan de positiva och negativa elektroderna, vilket förhindrar en termisk obehärskad reaktionskedja.

2. Säkerhetsmekanism: flerfaldig skyddsdesign med redundans

• Förfining av batteristyrningssystem (BMS)

Överladdnings-/urladdningsskydd: När batterispänningen närmar sig 4,35 V (överladdningsgräns) kopplar BMS bort laddkretsen; när spänningen är lägre än 2,5 V förbjuds urladdning för att förhindra skador på batteriet.

Temperaturövervakning: Den inbyggda temperatursensorn övervakar batteritemperaturen i realtid. När temperaturen överskrider 45 °C aktiveras kyling (till exempel genom att minska laddeffekten) eller ett larm utlöses. När temperaturen blir för hög (till exempel över 60 °C) kopplas strömförsörjningen direkt bort.

Nuvarande begränsning: När urladdningsströmmen är för stor (till exempel vid kortslutning) aktiverar BMS en säkringsmekanism eller begränsar effekten för att förhindra överhettning orsakad av strömöverbelastning.

• Konservativ strategi för snabbuppladdning

Snabbuppladdning av konsumentbatterier använder vanligtvis segmenterad laddning (till exempel konstant ström först, sedan konstant spänning) och växlar till tröskladdning när batterinivån når 80 % för att minska värmeackumulering.

Begränsning av laddeffekt: Till exempel är snabbuppladdningseffekten för mobiltelefoner oftast mellan 20–100 W, vilket är mycket lägre än elbilars snabbuppladdning på 150 kW och uppåt, vilket minskar risken för termisk obalans.

• Förbättrad flamskyddsegenskap hos material

Tillsätt flamskyddsadditiv (till exempel fosfater) till elektrolyten för att hämma förbränningsreaktionen;

Ytan på den positiva elektroden är belagd med ett inaktivt lager, såsom aluminiumoxid (Al₂O₃), för att minska sidoreaktioner med elektrolyten och minska värmeutveckling.

3. Användningsscenarion: kontrollerad miljö och standardiserad operation

• Mild användningsmiljö

Enheter för konsumentelektronik används vanligtvis vid rumstemperatur (0–40°C) och utsätts sällan för extrema höga temperaturer (till exempel i en bil i direkt sol) eller låga temperaturer. I motsats till detta måste elkraftsbatterier anpassas till ett brett temperaturintervall från -30°C till 60°C, vilket innebär en högre risk för termisk urartning.

• Specifikationer för laddningsbeteende

Användare använder vanligtvis originalladdaren (med matchande uteffekt) för att undvika överladdning eller överspänning;

Undvik längre laddning på natten: Många enheter (till exempel mobiltelefoner) slutar automatiskt ladda när de är fulladdade, vilket minskar tiden som batteriet förblir helt laddat (ett fulladdat batteri har hög kemisk aktivitet och en något ökad risk för termisk obalans).

• Fullständig fysisk skydd

Enhetens hölje är designat med tanke på släppskydd (till exempel tjockare telefonramar och förstärkta hörn) för att minska risken för batterikortslutningar orsakade av mekaniska skador.

Förhindra metallföremål från att genomborra batteriet: Användare lägger vanligtvis inte metallföremål som nycklar i direkt kontakt med batteriet, vilket minskar sannolikheten för kortslutning.

4. Branschövervakning: stränga standarder och ansvar

• Internationell säkerhetscertifiering

UL 1642: Testar batterisäkerhet under extrema förhållanden såsom överladdning, kortslutning, komprimering och genomboring;

IEC 62133: Anger prestandakraven på batterier vid hög temperatur, låg temperatur, vibration och andra miljöer;

GB 31241: Kinas obligatoriska standard, som anger hur länge eld får sprida sig efter termiskt urartande hos batterier (måste vara ≤30 sekunder).

Konsumentbatterier måste genomgå UL-, IEC-, GB- och andra standardcertifieringar, till exempel:

• Återkallnings- och ansvarssystem

Om ett visst märkes batterier ofta upplever termiskt urartande måste tillverkaren initiera en återkallning (som i fallet Samsung Galaxy Note 7) och ta juridiskt ansvar. Detta påtryckningsmedel tvingar företag att strikt kontrollera kvaliteten och säkerställa efterlevnad av säkerhetsföreskrifter i alla processer, från inköp av råmaterial till produktion.

5. Jämförelse av elkraftsbatterier: Varför är risken för termiskt urartande högre?

• Stor kapacitet och hög energitäthet

Effektbatteripaket består av tusentals celler kopplade i serie eller parallellt. Den kombinerade energin från varje cell förstärker den destruktiva kraften vid termisk genomgång. Till exempel har batteripaketet i Tesla Model 3 en kapacitet på cirka 75 kWh, och den energi som frigörs vid termisk genomgång motsvarar 15 kg TNT.

• Komplex användningsmiljö

Elbilar måste hantera flera utmaningar såsom höga och låga temperaturer, vibrationer och kollisioner. Konsekvensen hos battericeller är svår att säkerställa, och lokal åldring eller skador kan utlösa en kedjereaktion.

• Snabbuppladdning och höga effektkrav

Effektbatteriet måste kunna stödja snabbuppladdning på över 150 kW. Upp- och urladdning med hög ström orsakar ojämn temperatur inuti battericellen, vilket ökar risken för termisk genomgång.

6. sammanfattning

Termisk genombrott är mindre vanligt i konsumentbatterier, en konsekvens av försiktig teknisk design, redundanta säkerhetsmekanismer, kontrollerbara användningsscenarier och strikt branschövervakning.