Чому термічний пробій рідкісний у побутових літій-іонних акумуляторах?

Випадки термічного пробою в побутових акумуляторах (наприклад, літій-іонних акумуляторах у мобільних телефонах, ноутбуках та інших пристроях) є порівняно рідкісними, головним чином завдяки обережній конструкції, надлишковим механізмам безпеки, контрольованим сценаріям використання та суворому галузевому нагляду.

1. Технічний дизайн: консервативна стратегія зменшує ризик

• Мала ємність і низька густина енергії

Обмеження ємності: акумуляторні елементи для побутового використання зазвичай мають ємність від 1000 мА·год до 5000 мА·год (наприклад, акумулятори мобільних телефонів, приблизно 3000–5000 мА·год), що значно нижче, ніж у потужнісних акумуляторів (наприклад, акумуляторні блоки електромобілів можуть досягати 50–100 кВт·год). Акумулятори малої ємності виділяють обмежену кількість енергії під час теплового пробою, тому навіть у разі виходу з ладу вони менш схильні до вибуху чи інтенсивного горіння.

Баланс густини енергії: для забезпечення балансу між безпекою та терміном служби акумулятора побутові акумулятори часто використовують перевірену систему з графітовим анодом та катодом на основі літій-кобальтового оксиду (LiCO) або тривимірного катоду, а не кремнієвий анод і високонікелевий катод (наприклад, NCM811/NCA), які прагнуть до максимальної густини енергії. Катоди LiCO мають кращу хімічну стабільність порівняно з високонікелевими матеріалами, що зменшує ризик теплового пробою.

• Оптимізація конструкції та система відведення тепла

Компактний дизайн: споживчі електронні пристрої мають обмежений внутрішній простір, а батареї часто тісно інтегровані з материнською платою та модулем охолодження. Виробники використовують такі конструкції, як графенові теплопоглиначі, рідкі холодильні труби та теплопровідники, щоб прискорити теплопровідення і запобігти локальному перегріву. Наприклад, у ігрових телефонах використовується багатошаровий теплорозвіяльний механізм, який захищає акумулятор від тривалої високої температури.

Вибухонебезпечна структура: корпус батареї виготовлений з вогнезахисного матеріалу PC / ABS, який може сповільнити поширення вогню, навіть якщо він горить всередині; деякі пристрої наповнюють аерогель або матеріал для зміни фази навколо батареї для поглинання тепла та ізоляції

• Технологія безпечного клапана та діафрагми

Захисний клапан: коли внутрішній тиск батареї занадто високий (наприклад, на ранніх стадіях теплового виходу), безпечний клапан розривається і випускає газ, щоб запобігти вибуху.

Роздільник із керамичним покриттям: на поверхню звичайного поліетиленового (PE) роздільника наноситься шар кераміки для підвищення стійкості до високих температур. Навіть у разі локального короткого замикання роздільник не буде швидко скорочуватися, що запобігає контакту між позитивними та негативними електродами, тим самим запобігаючи ланцюговій реакції теплового пробою.

2. Механізм безпеки: багаторазовий захисний резервний дизайн

• Удосконалення системи управління акумулятором (BMS)

Захист від перезаряду/перерозряду: коли напруга акумулятора наближається до 4,35 В (поріг перезаряду), система BMS відключає зарядне коло; коли напруга нижча за 2,5 В, розряд забороняється, щоб запобігти пошкодженню акумулятора.

Контроль температури: вбудований датчик температури в реальному часі контролює температуру акумулятора. Коли температура перевищує 45 °C, активується охолодження (наприклад, зниження потужності зарядки) або подається сигнал тривоги. Коли температура надто висока (наприклад, понад 60 °C), живлення відключається безпосередньо.

Обмеження за струмом: коли струм розряду занадто великий (наприклад, при короткому замиканні), система BMS активує механізм запобіжника або обмежує вихідну потужність, щоб запобігти перегріву через перевантаження струмом.

• Консервативна стратегія швидкого заряджання

Швидке заряджання побутових акумуляторів зазвичай передбачає ступінчасте заряджання (наприклад, спочатку постійним струмом, потім постійною напругою) і перемикається на капельне заряджання після досягнення рівня заряду 80%, щоб зменшити накопичення тепла.

Обмеження потужності заряджання: наприклад, потужність швидкого заряджання мобільних телефонів зазвичай становить від 20 до 100 Вт, що значно нижче, ніж швидке заряджання електромобілів — 150 кВт і більше, що зменшує ризик термічного пробою.

• Покращена вогнестійкість матеріалів

Додавання вогнегасних добавок (наприклад, фосфатів) до електроліту для пригнічення реакції горіння;

Поверхня матеріалу позитивного електрода покрита інертним шаром, таким як оксид алюмінію (Al₂O₃), щоб зменшити побічні реакції з електролітом і знизити виділення тепла.

3. Сценарій використання: контрольоване середовище та стандартизовані операції

• Щадне середовище використання

Пристрої для побутової електроніки зазвичай використовуються при кімнатній температурі (0–40 °C) і рідко піддаються впливу екстремально високих температур (наприклад, всередині автомобіля під прямими сонячними променями) або низьких температур. Навпаки, силові акумулятори мають працювати в діапазоні температур від -30 °C до 60 °C, що створює більший ризик термального пробою.

• Норми поведінки під час заряджання

Користувачі, як правило, використовують оригінальний зарядний пристрій (з відповідною вихідною потужністю), щоб уникнути перезаряду або надмірної напруги;

Уникайте тривалого заряджання вночі: багато пристроїв (наприклад, мобільні телефони) автоматично припиняють заряджання після повного заряду акумулятора, зменшуючи час, протягом якого акумулятор залишається повністю зарядженим (повністю заряджений акумулятор має високу хімічну активність і дещо підвищений ризик теплового пробою).

• Повний фізичний захист

Конструкція корпусу пристрою передбачає захист від падіння (наприклад, потовщені рамки телефонів і посилені кути), щоб зменшити ризик короткого замикання акумулятора через механічні пошкодження.

Запобігання проникненню металевих сторонніх предметів у акумулятор: зазвичай користувачі не кладуть металеві предмети, такі як ключі, у безпосередній контакт з акумулятором, що зменшує ймовірність короткого замикання.

4. Галузевий нагляд: суворі стандарти та відповідальність

• Міжнародна сертифікація безпеки

UL 1642: Перевіряє безпеку акумулятора в екстремальних умовах, таких як перезаряд, коротке замикання, стискання та прокол;

IEC 62133: Визначає вимоги до роботи акумуляторів у середовищах із високою температурою, низькою температурою, вібрацією та іншими умовами;

GB 31241: Обов’язковий стандарт Китаю, який визначає час поширення полум’я після виходу з ладу акумулятора внаслідок перегріву (має бути ≤30 секунд).

Споживчі акумулятори мають пройти сертифікацію за стандартами UL, IEC, GB та іншими, наприклад:

• Система відкликання та відповідальності

Якщо акумулятори певного бренду часто піддаються тепловому вибуху, виробник зобов’язаний ініціювати їх відкликання (як у випадку з Samsung Galaxy Note 7) та нести юридичну відповідальність. Цей тиск змушує компанії суворо контролювати якість, забезпечуючи дотримання норм безпеки на кожному етапі — від закупівлі сировини до виробництва.

5. Порівняння силових акумуляторів: чому вищий ризик теплового вибуху?

• Велика ємність і висока густина енергії

Батарейні пакети складаються з тисяч клітин, з'єднаних послідовно або паралельно. Поєднана енергія кожної клітини посилює руйнівну силу теплового спаду. Наприклад, акумулятор Tesla Model 3 має потужність приблизно 75 кВт•год, а енергія, що виходить під час теплового розряду, еквівалентна 15 кг ТНТ.

• Складне середовище використання

Електричні автомобілі мають боротися з багатьма проблемами, такими як високі і низькі температури, вібрації та зіткнення. Стійкість батарейних елементів важко забезпечити, а місцеве старіння або пошкодження можуть викликати ланцюгову реакцію.

• Швидке зарядження і високі вимоги до потужності

Електрична батарея повинна підтримувати швидку зарядку більше 150 кВт. Високий струм зарядки і розрядки викликає нерівномірну температуру всередині батареї, що збільшує ризик теплового виходу.

6. підсумки

Термальний відток рідше зустрічається в акумуляторних батареях, в результаті консервативного технічного проектування, зайвих механізмів безпеки, контрольованих сценаріїв використання та суворого нагляду промисловості.