Bakit Hindi Karaniwan ang Thermal Runaway sa Mga Li-ion Battery na Ginagamit ng mga Konsyumer?

Ang mga insidente ng thermal runaway sa mga baterya para sa mamimili (tulad ng lithium-ion batteries sa mga mobile phone, laptop, at iba pang device) ay medyo bihira, pangunahing dahil sa kanilang mapag-ingat na disenyo, dagdag na mga mekanismo ng kaligtasan, kontroladong mga sitwasyon ng paggamit, at mahigpit na pang-industriyang pangangasiwa.

1. Teknikal na disenyo: mapagbantay na estratehiya ay nagpapababa ng panganib

• Maliit na kapasidad at mababang density ng enerhiya

Mga Limitasyon sa Kapasidad: Karaniwang may kapasidad ang mga baterya para sa konsumo sa pagitan ng 1000mAh at 5000mAh (halimbawa, mga baterya ng mobile phone, mga 3000-5000mAh), na mas mababa nang malaki kumpara sa mga baterya de-kuryente (halimbawa, mga baterya para sa sasakyang elektriko, na maaring umabot sa 50-100kWh). Ang mga bateryang may maliit na kapasidad ay nakakalaya ng limitadong enerhiya habang nangyayari ang thermal runaway, kaya hindi gaanong posibleng magdulot ng marahas na pagsabog o pagniningas kahit mangyari ang kabiguan.

Balanseng density ng enerhiya: Upang mapantay ang kaligtasan at haba ng buhay ng baterya, madalas gamit ng mga baterya para sa konsumo ang isang nakatatak na sistema na binubuo ng anodong grapito at katodong lithium cobalt oxide (LiCO)/treyse, imbes na anodong batay sa silicon at katodong mataas ang nikel (tulad ng NCM811/NCA) na umaasa sa pinakamataas na density ng enerhiya. Ang mga katodong LiCO ay mas matatag ang kimikal kumpara sa mga materyales na mataas ang nikel, na nagpapababa sa panganib ng thermal runaway.

• Optimisasyon ng istruktura at disenyo ng pag-alis ng init

Kompaktong Layout: Ang mga device sa consumer electronics ay may limitadong espasyo sa loob, at madalas na mahigpit na naka-ugnay ang baterya sa motherboard at cooling module. Ginagamit ng mga tagagawa ang mga disenyo tulad ng graphene heat sink, liquid cooling tube, at heat pipe upang mapabilis ang paglipat ng init at maiwasan ang lokal na sobrang pag-init. Halimbawa, gumagamit ang mga gaming phone ng multi-layered na istruktura para sa pagkalat ng init upang maprotektahan ang baterya mula sa matagal na mataas na temperatura.

Istruktura na Anti-Pagsabog: Ang katawan ng baterya ay gawa sa flame-retardant na PC/ABS na materyal, na nakapagpapabagal sa pagkalat ng apoy kahit ito man ay sumabog sa loob; ang ilang device ay puno ng aerogel o phase change material sa paligid ng baterya upang sumipsip ng init at i-segregate ang oxygen.

• Teknolohiya ng Safety Valve at Diaphragm

Safety Valve: Kapag masyadong mataas ang presyon sa loob ng baterya (tulad sa maagang yugto ng thermal runaway), sasabog ang safety valve upang labasan ng gas at maiwasan ang pagsabog.

Separator na may patong na ceramic: Ang isang layer ng ceramic ay inilalapat sa ibabaw ng karaniwang polyethylene (PE) separator upang mapataas ang resistensya nito sa mataas na temperatura. Kahit na may lokal na maikling sirkuito, hindi mabilis na mag-shrink ang separator, na nagpapahintulot sa pagkontak sa pagitan ng positibo at negatibong elektrodo, na siyang nagpipigil sa reaksyon ng thermal runaway.

2. Mekanismo ng kaligtasan: disenyo ng maramihang proteksyon at redundansiya

• Pagsinop ng Battery Management System (BMS)

Proteksyon laban sa sobrang pag-charge/sobrang pagbaba ng charge: Kapag ang voltage ng baterya ay umabot na malapit sa 4.35V (amb threshold para sa overcharge), awtomatikong i-cut off ng BMS ang circuit ng pag-charge; kapag ang voltage ay mas mababa sa 2.5V, ipinagbabawal ang paglabas ng kuryente upang maiwasan ang pagkasira ng baterya.

Pagsusuri ng temperatura: Ang built-in na sensor ng temperatura ay nagmo-monitor ng temperatura ng baterya nang real time. Kapag lumampas ang temperatura sa 45°C, pinapagana ang paglamig (tulad ng pagbawas sa charging power) o isang alarm. Kapag sobrang taas ng temperatura (halimbawa, lumampas sa 60°C), direktang i-cut off ang suplay ng kuryente.

Kasalukuyang limitasyon: Kapag ang discharge current ay masyadong mataas (tulad ng maikling sirkito), ang BMS ay mag-trigger ng fuse mechanism o i-limit ang output power upang maiwasan ang pagkakainit nang labis dahil sa sobrang karga ng kasalukuyan.

• Mapag-ingat na estratehiya sa mabilisang pagpapakarga

Ang mabilisang pagpapakarga ng consumer battery ay karaniwang gumagamit ng segmented charging (tulad ng constant current muna at pagkatapos ay constant voltage), at lumilipat sa trickle charging kapag ang kapangyarihan ng baterya ay umabot na sa 80% upang bawasan ang pag-iral ng init.

Limitasyon sa charging power: Halimbawa, ang mabilisang charging power ng mga mobile phone ay karamihan nasa pagitan ng 20-100W, na mas mababa kumpara sa 150kW pataas na mabilisang pagpapakarga ng mga electric vehicle, na nagpapababa sa panganib ng thermal runaway.

• Pinalakas na kakayahang lumaban sa apoy ng mga materyales

Magdagdag ng flame retardant additives (tulad ng phosphates) sa electrolyte upang pigilan ang reaksyon ng pagsusunog;

Ang ibabaw ng positibong elektrodong materyal ay naka-koating ng isang inert na layer tulad ng aluminum oxide (Al₂O₃) upang mabawasan ang mga side reaction sa electrolyte at mapababa ang pagkakagawa ng init.

3. Senaryo ng paggamit: kontroladong kapaligiran at standardisadong operasyon

• Mahinahon na kapaligiran sa paggamit

Ang mga consumer electronics device ay karaniwang ginagamit sa temperatura ng kuwarto (0-40°C) at bihira nakalantad sa sobrang mataas na temperatura (tulad sa loob ng kotse under direct sunlight) o mababang temperatura. Sa kabila nito, ang power batteries ay dapat umaangkop sa malawak na saklaw ng temperatura mula -30°C hanggang 60°C, na nagdudulot ng mas mataas na panganib na magkaroon ng thermal runaway.

• Mga tukoy sa pag-uugali sa pagchacharge

Ang mga user ay karaniwang gumagamit ng orihinal na charger (na may tugmang output power) upang maiwasan ang labis na pagchacharge o overvoltage;

Iwasan ang mahabang pag-charge sa gabi: Maraming device (tulad ng mga mobile phone) ay awtomatikong titigil sa pag-charge pagkatapos ma-fully charge, na binabawasan ang oras na nananatiling fully charged ang baterya (ang fully charged na baterya ay may mataas na kemikal na aktibidad at bahagyang nadagdagan ang panganib ng thermal runaway).

• Kumpletong pisikal na proteksyon

Idinisenyo ang casing ng device na may proteksyon laban sa pagbagsak (halimbawa, matabang frame ng telepono at palakasin mga sulok) upang bawasan ang panganib ng maikling circuit sa baterya dahil sa mekanikal na pinsala.

Iwasan ang metal na dayuhang bagay na tumatagos sa baterya: Karaniwan ay hindi inilalagay ng mga gumagamit ang mga metal na bagay tulad ng susi sa direktang ugnayan sa baterya, na nagpapababa sa posibilidad ng maikling circuit.

4. Pangangasiwa sa industriya: mahigpit na pamantayan at pananagutan

• Internasyonal na sertipikasyon para sa kaligtasan

UL 1642: Sinusubok ang kaligtasan ng baterya sa ilalim ng matitinding kondisyon tulad ng sobrang pag-charge, maikling circuit, pagsipsip, at pagtusok;

IEC 62133: Nagsasaad ng mga kinakailangan sa pagganap ng mga baterya sa mataas na temperatura, mababang temperatura, panginginig at iba pang kapaligiran;

GB 31241: Pambansang sapilitan na pamantayan ng Tsina, na nagsasaad ng oras ng pagkalat ng apoy matapos ang thermal runaway ng baterya (dapat ay ≤30 segundo).

Ang mga baterya para sa konsumidor ay dapat dumaan sa UL, IEC, GB at iba pang sertipikasyon ayon sa pamantayan, halimbawa:

• Sistema ng Pagbabalik at Pananagutan

Kung ang mga baterya ng isang partikular na tatak ay madalas na nakararanas ng thermal runaway, kinakailangan ng tagagawa na mag-isyu ng paunlan at tanggapin ang legal na pananagutan. Ang ganitong presyon ang nagtutulak sa mga kumpanya na mahigpit na bantayan ang kalidad, upang matiyak ang pagsunod sa mga regulasyon sa kaligtasan sa bawat proseso, mula sa pagbili ng hilaw na materyales hanggang sa produksyon.

5. Paghahambing ng mga power battery: Bakit mas mataas ang panganib ng thermal runaway?

• Malaking kapasidad at mataas na density ng enerhiya

Ang mga power battery pack ay binubuo ng libo-libong cells na konektado nang pangserye o palapad. Ang pinagsamang enerhiya ng bawat cell ay nagpapalakas sa destruktibong puwersa ng thermal runaway. Halimbawa, ang Tesla Model 3 battery pack ay may kapasidad na humigit-kumulang 75kWh, at ang enerhiyang nalabas habang nangyayari ang thermal runaway ay katumbas ng 15kg ng TNT.

• Kumplikadong kapaligiran sa paggamit

Ang mga electric vehicle ay dapat harapin ang maraming hamon tulad ng mataas at mababang temperatura, pag-vibrate, at pagbangga. Mahirap mapanatili ang pagkakapareho ng mga battery cell, at maaaring mag-trigger ang lokal na pagtanda o pagkasira sa isang reaksiyong kadena.

• Mabilis na pagre-charge at mataas na pangangailangan sa lakas

Kailangang suportahan ng power battery ang mabilis na pagre-recharge na hihigit sa 150kW. Ang pagre-recharge at paglabas ng kuryente gamit ang mataas na kasalungat ay magdudulot ng hindi pare-parehong temperatura sa loob ng battery cell, na nagta-tataas ng panganib ng thermal runaway.

6. sa konklusyon

Mas hindi karaniwan ang thermal runaway sa mga baterya para sa mamimili, dahil sa mapag-iingat na disenyo ng teknolohiya, maramihang mekanismo para sa kaligtasan, kontroladong mga sitwasyon ng paggamit, at mahigpit na pang-industriyang pangangasiwa.