リチウム電池は、過去 20 年間で最も急速に成長している電池システムであり、電子製品に広く使用されています。最近の携帯電話やラップトップの爆発は、本質的にはバッテリーの爆発です。携帯電話やノートパソコンのバッテリーの様子、仕組み、爆発の理由、および爆発の回避方法。
リチウム電池が 4.2V を超える電圧まで過充電されると、副作用が発生し始めます。過充電圧力が高いほど、リスクが高くなります。 4.2Vを超える電圧では、正極材料に半分未満のリチウム原子が残っていると、蓄電池が崩壊し、電池容量の永久的な低下を引き起こすことがよくあります。充電が続くと、カソードの蓄電池はすでにリチウム原子で満たされているため、その後のリチウム金属がカソード材料の表面に堆積します。これらのリチウム原子は、正極表面からリチウムイオンの方向に樹枝状結晶を成長させます。リチウム結晶は隔膜紙を通過し、アノードとカソードが短絡します。場合によっては、ショートが発生する前にバッテリーが爆発することがあります。それは、過充電プロセス中に電解質などの材料が割れてガスが発生し、そのガスによりバッテリーケースや圧力バルブが膨張して破裂し、酸素が負極の表面に蓄積されたリチウム原子と反応して爆発するためです。
したがって、リチウム電池を充電する場合は、電池寿命、容量、安全性を考慮して電圧の上限を設定する必要があります。理想的な充電電圧の上限は 4.2V です。リチウム電池が放電するときの電圧の下限も必要です。セル電圧が 2.4V を下回ると、材料の一部が分解し始めます。また、バッテリーは自己放電するため、長く置くほど電圧が低くなります。したがって、2.4Vを放電して停止しないほうが良いです。 3.0V から 2.4V まで、リチウム電池は容量の約 3% しか放出しません。したがって、3.0V が理想的な放電終止電圧となります。充放電時には電圧制限に加えて電流制限も必要です。電流が高すぎると、リチウムイオンが蓄電池に入る時間がなくなり、材料の表面に蓄積します。
これらのイオンが電子を獲得すると、材料の表面でリチウム原子が結晶化します。これは過充電と同じくらい危険な場合があります。電池ケースが破損すると爆発します。したがって、リチウムイオン電池の保護には、少なくとも充電電圧の上限、放電電圧の下限、電流の上限を含める必要があります。一般に、リチウム電池のコアに加えて、主にこれら 3 つの保護を提供する保護プレートがあります。しかし、これら 3 つの保護プレートだけでは明らかに不十分で、世界的にリチウム電池の爆発事故が多発しています。バッテリーシステムの安全性を確保するには、バッテリーの爆発の原因をより注意深く分析する必要があります。
爆発の原因:
1. 内部分極が大きい。
2.ポールピースは水を吸収し、電解質ガスドラムと反応します。
3.電解液自体の品質と性能。
4.液体注入量がプロセス要件を満たすことができない;
5. 準備工程でレーザー溶接シールの性能が悪く、エア漏れが検出されます。
6. 塵やポールピースの塵は、まず微小短絡を引き起こしやすいです。
7.プロセス範囲よりも厚いポジティブおよびネガティブプレート、シェル化が困難。
8.液体注入のシールの問題、鋼球のシール性能が悪いとガスドラムにつながります。
9.シェルの入ってくる材料のシェルの壁が厚すぎる、シェルの変形が厚さに影響を与えます。
10. 屋外の高い周囲温度も爆発の主な原因です。
爆発タイプ
爆発の種類の解析 バッテリーコアの爆発の種類は、外部短絡、内部短絡、過充電に分類できます。ここでの外部とは、内部バッテリー パックの絶縁設計が不十分であることによって引き起こされる短絡を含む、セルの外部を指します。セルの外側で短絡が発生し、電子部品がループを遮断できなかった場合、セルの内部で高熱が発生し、電解液の一部であるバッテリーシェルが蒸発します。バッテリーの内部温度が摂氏135度に達すると、良質の隔膜紙が微細な穴を塞ぎ、電気化学反応が終了するかほぼ終了し、電流が急降下し、温度もゆっくりと低下して爆発を回避します。 。しかし、隔膜ペーパーの閉鎖率が低いか、まったく閉まらない場合は、バッテリーが温かくなり、より多くの電解液が蒸発し、最終的にはバッテリーケースが破裂したり、材料が燃える点までバッテリー温度が上昇したりすることがあります。そして爆発します。内部短絡の主な原因は、銅箔やアルミ箔のバリが振動板を突き破ったり、リチウム原子の樹枝状結晶が振動板を突き破ったりすることです。
これらの小さな針状の金属は、微小短絡を引き起こす可能性があります。針は非常に細く、一定の抵抗値があるため、電流は必ずしも大きくありません。銅アルミ箔のバリは製造工程上で発生します。観察された現象は、バッテリーの液漏れが速すぎるというもので、そのほとんどはセル工場や組み立て工場で排除できます。また、バリが小さいため、焼き切れてバッテリーが正常に戻ることがあります。したがって、バリの微小ショートによる爆発の可能性は高くありません。このような見方は、各セル工場の内部から充電できることが多く、バッテリーの電圧が低くても、爆発することはめったになく、統計的な裏付けが得られます。したがって、内部短絡による爆発は主に過充電によって引き起こされます。過充電された背面電極シートのいたるところに針状のリチウム金属結晶があるため、あらゆる場所で刺し傷が発生し、あらゆる場所で微小短絡が発生します。したがって、セルの温度は徐々に上昇し、最終的には高温によって電解ガスが生成されます。この状況は、物質の燃焼爆発を起こすには温度が高すぎるか、最初に殻が壊れて空気が入ってリチウム金属が激しく酸化するかにかかわらず、爆発は終わります。
しかし、このような過充電による内部短絡による爆発は、必ずしも充電時に起こるわけではありません。バッテリーが材料を燃やし、バッテリーケースが破裂するほどのガスが発生するほど高温になる前に、消費者が充電をやめて携帯電話を取り出す可能性があります。多数の短絡によって発生する熱によりバッテリーが徐々に加熱され、しばらくすると爆発します。消費者の一般的な説明は、電話を手に取ったところ、非常に熱くなっていたので、投げ捨てて爆発したというものです。上記の爆発の種類に基づいて、過充電の防止、外部短絡の防止に重点を置き、セルの安全性を向上させることができます。このうち、過充電や外部短絡の防止は電子的保護に属し、電池システムや電池パックの設計に大きく関係します。セルの安全性向上のキーポイントは化学的および機械的保護であり、セルメーカーとの深い関係があります。
安全な隠れたトラブル
リチウムイオン電池の安全性は、電池材料自体の性質だけでなく、電池の製造技術や使用法にも関係します。携帯電話のバッテリーは、保護回路の故障により頻繁に爆発を起こす一方で、さらに重要なことに、材料面では問題が根本的に解決されていない。
コバルト酸リチウム正極活物質は、小型電池では非常に成熟したシステムですが、満充電後も負極にはまだ大量のリチウムイオンが存在し、過充電になると、負極に残ったリチウムイオンが負極に集まると予想されます。コバルト酸リチウム電池を使用すると、通常の充放電プロセスでも過充電の結果として正極デンドライトが形成されます。また、過剰なリチウムイオンが負極に遊離してデンドライトを形成する可能性もあります。コバル酸リチウム材料の理論上の比エネルギーは 270 mah/g を超えていますが、実際の容量は、そのサイクル性能を保証する理論上の容量の半分にすぎません。使用過程において、何らかの理由（管理システムの損傷など）により、バッテリーの充電電圧が高すぎると、正極に残ったリチウムが電解液を通って負極表面に除去されます。樹枝状結晶を形成するためのリチウム金属の堆積の形態。樹状突起はダイヤフラムを貫通し、内部短絡を引き起こします。
電解液の主成分は炭酸塩であり、引火点も沸点も低い。特定の条件下では燃えたり、爆発したりすることもあります。バッテリーが過熱すると、電解液中の炭酸塩の酸化と還元が起こり、その結果、大量のガスが発生し、熱が増加します。安全弁がない場合、または安全弁からガスが放出されない場合、バッテリーの内圧が急激に上昇し、爆発を引き起こす可能性があります。
ポリマー電解質リチウムイオン電池は安全性の問題を根本的に解決していません。コバルト酸リチウムや有機電解質も使用されており、電解質はコロイド状で漏れにくく、より激しい燃焼が発生します。燃焼はポリマー電池の安全性の最大の問題です。
バッテリーの使用に関してもいくつかの問題があります。外部または内部の短絡により、数百アンペアの過電流が発生する可能性があります。外部短絡が発生すると、バッテリーは瞬時に大電流を放電し、多量のエネルギーを消費し、内部抵抗で多大な発熱を発生します。内部短絡により大電流が発生し、温度が上昇してダイアフラムが溶融し、短絡面積が拡大するという悪循環に陥ります。
リチウムイオン電池は単セル3～4.2Vの高い動作電圧を実現するために、2V以上の電圧を有機電解液で分解する必要があり、有機電解液を高電流、高温条件で使用すると電解、電解が行われます。ガスが発生し、内圧が上昇すると、深刻な事態がシェルを突き破ります。
過充電によりリチウム金属が析出し、シェルが破損したり、空気と直接接触したりすると、燃焼が起こり、同時に電解液が発火し、強い炎が発生し、ガスが急速に膨張し、爆発する可能性があります。
また、携帯電話用リチウムイオン電池は、押し出し、衝撃、水分の吸い込みなどの不適切な使用により、放電や充電の過程で電池の膨張、変形、亀裂等が生じ、電池ショートを引き起こす可能性があります。熱爆発によって。
リチウム電池の安全性:
不適切な使用による過放電や過充電を避けるため、リチウムイオン電池1個に三重の保護機構を設けています。 1つはスイッチング素子の使用で、バッテリーの温度が上昇すると抵抗が増加し、温度が高すぎると自動的に電源を停止します。 2つ目は、適切な隔壁材料を選択することです。温度が一定の値に上昇すると、隔壁のミクロン細孔が自動的に溶解し、リチウムイオンが通過できなくなり、電池の内部反応が停止します。 3つ目は安全弁（つまりバッテリー上部の通気口）の設置です。バッテリーの内圧が一定値まで上昇すると安全弁が自動的に開き、バッテリーの安全性を確保します。
場合によっては、バッテリー自体には安全制御措置が講じられていますが、制御の失敗による何らかの理由により、安全弁が不足していたり、安全弁からガスが放出される時間がなく、バッテリーの内圧が急激に上昇し、バッテリーの故障が発生することがあります。爆発。一般に、リチウムイオン電池に蓄えられる総エネルギーは、その安全性に反比例します。バッテリーの大容量化に伴い、バッテリーの体積も大きくなり、放熱性能が低下し、事故が発生する可能性が大幅に高まります。携帯電話に使用されるリチウムイオン電池の基本要件は、安全事故の確率が 100 万分の 1 未満であることです。これは、公衆に受け入れられる最低基準でもあります。特に自動車用の大容量リチウムイオン電池では、強制放熱を採用することが非常に重要です。
分子構造の観点からより安全な電極材料であるリチウムマンガン酸化物材料を選択することで、完全充電状態で正極のリチウムイオンが負の炭素の穴に完全に埋め込まれ、樹枝状結晶の生成を根本的に回避できます。同時に、マンガン酸リチウムの構造は安定しているため、その酸化性能はコバルト酸リチウムよりもはるかに低く、コバルト酸リチウムの分解温度は100℃を超え、外部短絡（ニードリング）、外部短絡、過充電も、析出したリチウム金属による発火や爆発の危険を完全に回避できます。
さらに、マンガン酸リチウム材料の使用により、コストも大幅に削減できます。
既存の安全制御技術の性能を向上させるためには、まず大容量電池にとって特に重要となるリチウムイオン電池コアの安全性能を向上させる必要があります。熱閉止性能に優れたダイヤフラムを選択してください。隔膜の役割は、リチウムイオンの通過を可能にしながら、バッテリーの正極と負極を隔離することです。温度が上昇すると、膜が溶ける前に閉じて内部抵抗が 2,000 オームに上昇し、内部反応が停止します。内部の圧力または温度があらかじめ設定した基準に達すると、防爆バルブが開き、圧力を解放し始め、内部ガスの過度の蓄積や変形、最終的にシェルの破裂につながることを防ぎます。制御感度を向上させ、より感度の高い制御パラメータを選択し、複数のパラメータの組み合わせ制御を採用します（これは大容量バッテリーにとって特に重要です）。大容量リチウムイオン電池パックは直列/並列複数セル構成で、ノートパソコンなどの電圧が10V以上で大容量で、通常3～4個の単一電池シリーズを使用して電圧要件を満たすことができ、その後2～3個の電池シリーズを使用します。大容量を確保するために、バッテリーパックを並列に接続します。
大容量バッテリーパック自体は比較的完全な保護機能を備えている必要があり、ProtecTIonBoardPCB モジュールと SmartBatteryGaugeBoard モジュールの 2 種類の回路基板モジュールも考慮する必要があります。全体のバッテリー保護設計には、レベル 1 保護 IC (バッテリーの過充電、過放電、短絡を防止)、レベル 2 保護 IC (二次過電圧を防止)、ヒューズ、LED インジケーター、温度調整、その他のコンポーネントが含まれています。マルチレベルの保護メカニズムにより、充電器やノートパソコンに異常がある場合でも、ノートパソコンのバッテリーのみが自動保護状態に切り替わります。深刻な状況でなければ、抜き差ししても爆発することなく正常に動作することが多いです。
ノートパソコンや携帯電話に使われるリチウムイオン電池の基礎技術は安全ではなく、より安全な構造を検討する必要がある。
結論として、材料技術が進歩し、リチウムイオン電池の設計、製造、試験、使用の要件に対する人々の理解が深まるにつれて、リチウムイオン電池の将来はより安全になるでしょう。
投稿時間: 2022 年 3 月 7 日