리튬 이온 배터리의 보호 조치 및 폭발 원인

리튬 배터리는 지난 20년 동안 가장 빠르게 성장하는 배터리 시스템으로 전자 제품에 널리 사용됩니다. 최근 휴대폰과 노트북의 폭발적인 증가는 본질적으로 배터리 폭발이다. 휴대폰 및 노트북 배터리의 모양, 작동 방식, 폭발 이유 및 방지 방법.

리튬 셀이 4.2V보다 높은 전압으로 과충전되면 부작용이 발생하기 시작합니다. 과충전 압력이 높을수록 위험도 높아집니다. 4.2V보다 높은 전압에서는 양극재에 리튬 원자가 절반 미만으로 남아 있으면 저장 셀이 붕괴되는 경우가 많아 배터리 용량이 영구적으로 감소합니다. 충전이 계속되면 음극의 저장 셀이 이미 리튬 원자로 가득 차 있기 때문에 후속 리튬 금속이 양극 재료 표면에 쌓이게 됩니다. 이들 리튬 원자는 음극 표면에서 리튬 이온 방향으로 수지상 결정을 성장시킵니다. 리튬 결정은 다이어프램 페이퍼를 통과하여 양극과 음극을 단락시킵니다. 때때로 단락이 발생하기 전에 배터리가 폭발합니다. 과충전 과정에서 전해질 등 물질이 깨져 가스가 발생해 배터리 케이스나 압력 밸브가 부풀어 오르고 터지면서 산소가 음극 표면에 쌓인 리튬 원자와 반응해 폭발하기 때문이다.

따라서 리튬 배터리 충전 시 배터리 수명, 용량, 안전성을 고려하여 전압 상한을 설정해야 합니다. 이상적인 충전 전압 상한은 4.2V입니다. 또한 리튬 셀이 방전될 때 더 낮은 전압 제한이 있어야 합니다. 셀 전압이 2.4V 아래로 떨어지면 일부 재료가 분해되기 시작합니다. 그리고 배터리는 자체 방전되기 때문에 오랫동안 넣으면 전압이 낮아지므로 2.4V를 방전하지 않는 것이 가장 좋습니다. 3.0V에서 2.4V까지 리튬 배터리는 용량의 약 3%만 방출합니다. 따라서 3.0V가 이상적인 방전 차단 전압입니다. 충전 및 방전 시에는 전압 제한 외에도 전류 제한도 필요합니다. 전류가 너무 높으면 리튬 이온이 저장 셀에 들어갈 시간이 없어 재료 표면에 축적됩니다.

이러한 이온이 전자를 얻으면 재료 표면에 리튬 원자가 결정화되어 과충전만큼 위험할 수 있습니다. 배터리 케이스가 파손되면 폭발합니다. 따라서 리튬 이온 배터리의 보호에는 최소한 충전 전압의 상한, 방전 전압의 하한, 전류의 상한이 포함되어야 합니다. 일반적으로 리튬 배터리 코어 외에 주로 이 세 가지 보호 기능을 제공하는 보호 플레이트가 있습니다. 그러나 이 세 가지 보호 장치의 보호판만으로는 충분하지 않아 전 세계적으로 리튬 배터리 폭발 사고가 자주 발생하고 있습니다. 배터리 시스템의 안전을 보장하기 위해서는 배터리 폭발 원인에 대한 보다 세심한 분석이 필요합니다.

폭발 원인:

1. 큰 내부 분극;

2. 폴 피스는 물을 흡수하고 전해질 가스 드럼과 반응합니다.

3. 전해질 자체의 품질 및 성능;

4. 액체 주입량이 공정 요구 사항을 충족할 수 없습니다.

5. 준비 과정에서 레이저 용접 씰 성능이 좋지 않아 공기 누출이 감지됩니다.

6. 먼지와 극 부분 먼지는 먼저 미세 단락을 일으키기 쉽습니다.

7. 포지티브 및 네거티브 플레이트가 공정 범위보다 두껍고 쉘이 어렵습니다.

8. 액체 주입의 밀봉 문제, 강철 볼의 밀봉 성능 저하로 인해 가스 드럼이 발생합니다.

9.쉘 유입 재료 쉘 벽이 너무 두껍고 쉘 변형이 두께에 영향을 미칩니다.

10. 외부의 높은 주변 온도도 폭발의 주요 원인입니다.

폭발 유형

폭발 유형 분석 배터리 코어 폭발 유형은 외부 단락, 내부 단락, 과충전으로 분류할 수 있습니다. 여기서 외부란 내부 배터리 팩의 열악한 절연 설계로 인한 단락을 포함하여 셀의 외부를 의미합니다. 셀 외부에서 단락이 발생하고 전자 부품이 루프를 차단하지 못하면 셀 내부에서 높은 열이 발생하여 전해질의 일부인 배터리 쉘이 기화됩니다. 배터리의 내부 온도가 섭씨 135도까지 높으면 품질이 좋은 다이어프램 페이퍼가 미세한 구멍을 막아 전기 화학 반응이 종료되거나 거의 종료되고 전류가 급락하며 온도도 천천히 떨어지므로 폭발을 피할 수 있습니다. . 그러나 닫힘률이 좋지 않거나 전혀 닫히지 않는 다이어프램 페이퍼는 배터리를 따뜻하게 유지하고 더 많은 전해질을 기화시켜 결국 배터리 케이스를 파열시키거나 심지어 재료가 타는 지점까지 배터리 온도를 높입니다. 그리고 폭발한다. 내부 단락은 주로 다이어프램을 관통하는 구리 호일과 알루미늄 호일의 버 또는 다이어프램을 관통하는 리튬 원자의 수지상 결정에 의해 발생합니다.

이 작은 바늘 모양의 금속은 미세단락을 일으킬 수 있습니다. 바늘은 매우 가늘고 일정한 저항값을 갖고 있기 때문에 전류가 반드시 그렇게 크지는 않습니다. 구리 알루미늄 호일의 버는 생산 과정에서 발생합니다. 관찰된 현상은 배터리 누출이 너무 빨리 발생하고, 대부분 셀 공장이나 조립 공장에서 걸러낼 수 있다는 것입니다. 그리고 버가 작기 때문에 때때로 타서 배터리가 정상으로 돌아갑니다. 따라서 버 마이크로 단락에 의한 폭발 가능성은 높지 않습니다. 이러한 견해는 종종 각 셀 공장 내부에서 충전할 수 있으며 배터리의 전압이 낮고 불량할 수 있지만 폭발하는 경우는 거의 없으며 통계적 뒷받침을 얻습니다. 따라서 내부 단락으로 인한 폭발은 주로 과충전으로 인해 발생합니다. 과충전된 후면 전극 시트 곳곳에 바늘 모양의 리튬 금속 결정이 있기 때문에 곳곳에 펑크 포인트가 발생하고 곳곳에 마이크로 쇼트가 발생합니다. 따라서 셀 온도는 점차 상승하고 최종적으로 고온이 가스를 전해질하게 됩니다. 이 상황은 물질 연소 폭발을 일으키기에는 온도가 너무 높거나 껍질이 먼저 부서져 공기와 리튬 금속이 심하게 산화되어 폭발이 끝난 것입니다.

그러나 과충전으로 인한 내부 단락으로 인한 이러한 폭발은 충전 시 반드시 발생하는 것은 아닙니다. 배터리가 물질을 태울 만큼 뜨거워지고 배터리 케이스가 터질 만큼 충분한 가스가 발생하기 전에 소비자가 충전을 중단하고 휴대폰을 꺼낼 가능성이 있습니다. 수많은 단락으로 인해 발생하는 열은 배터리를 서서히 데우고 일정 시간이 지나면 폭발합니다. 소비자에 대한 일반적인 설명은 휴대전화를 집어들었다가 매우 뜨거워서 버리고 폭발했다는 것입니다. 위의 폭발 유형을 바탕으로 과충전 방지, 외부 단락 방지, 셀의 안전성 향상에 중점을 둘 수 있습니다. 그 중 과충전 및 외부 단락 방지는 전자 보호에 속하며 이는 배터리 시스템 및 배터리 팩 설계와 큰 관련이 있습니다. 셀 안전성 향상의 핵심은 화학적, 기계적 보호인데, 이는 셀 제조사와 좋은 관계를 맺고 있습니다.

안전한 숨겨진 문제

리튬이온 배터리의 안전성은 셀 소재 자체의 특성뿐만 아니라 배터리의 제조 기술 및 용도와도 관련이 있습니다. 휴대폰 배터리는 보호회로의 고장으로 인해 폭발하는 경우가 많지만, 더 중요한 것은 물질적인 측면에서도 문제를 근본적으로 해결하지 못했다는 점입니다.

코발트산 리튬 양극 활물질은 소형 배터리에서 매우 성숙한 시스템이지만, 완전 충전 후에도 양극에 여전히 많은 리튬 이온이 있으며, 과충전 시 음극에 남아 있는 리튬 이온이 양극으로 몰려들 것으로 예상됩니다. 코발트산 리튬 배터리를 사용하면 음극에 덴드라이트가 형성되어 과충전이 발생하고, 정상적인 충방전 과정에서도 음극에 과잉 리튬 이온이 남아 덴드라이트를 형성할 수도 있습니다. 리튬 코발레이트 재료의 이론적 비에너지는 270mah/g 이상이지만 실제 용량은 사이클링 성능을 보장하는 이론 용량의 절반에 불과합니다. 사용 과정에서 어떤 이유(예: 관리 시스템 손상)로 인해 배터리 충전 전압이 너무 높으면 양극에 남아 있는 리튬 부분이 전해질을 통해 음극 표면으로 제거됩니다. 수상돌기를 형성하기 위한 리튬 금속 증착의 형태. 수상돌기는 횡경막을 관통하여 내부 단락을 생성합니다.

전해질의 주성분은 탄산염으로 인화점이 낮고 끓는점이 낮다. 특정 조건에서는 화상을 입거나 심지어 폭발할 수도 있습니다. 배터리가 과열되면 전해질 내의 탄산염이 산화 및 환원되어 가스가 많이 발생하고 열이 더 많이 발생합니다. 안전밸브가 없거나 안전밸브를 통해 가스가 배출되지 않으면 배터리 내부 압력이 급격히 상승해 폭발의 원인이 됩니다.

고분자 전해질 리튬 이온 배터리는 근본적으로 안전 문제를 해결하지 못하고 리튬 코발트산과 유기 전해질도 사용되며 전해질은 콜로이드이고 누출되기 쉽지 않으며 더 격렬한 연소가 발생하며 연소는 고분자 배터리 안전의 가장 큰 문제입니다.

배터리 사용에도 몇 가지 문제가 있습니다. 외부 또는 내부 단락으로 인해 수백 암페어의 과도한 전류가 생성될 수 있습니다. 외부 단락이 발생하면 배터리는 순간적으로 큰 전류를 방전하여 많은 양의 에너지를 소비하고 내부 저항에 큰 열이 발생합니다. 내부 단락으로 인해 큰 전류가 형성되고 온도가 상승하여 다이어프램이 녹아 단락 면적이 늘어나 악순환이 형성됩니다.

리튬 이온 배터리는 단일 셀 3~4.2V의 높은 작동 전압을 달성하기 위해 2V 유기 전해질보다 큰 전압의 분해를 수행해야 하며, 고전류, 고온 조건에서 유기 전해질을 사용하면 전기분해가 이루어집니다. 가스로 인해 내부 압력이 증가하여 쉘이 심각하게 파손될 수 있습니다.

과충전하면 리튬 금속이 침전될 수 있습니다. 쉘이 파열되면 공기와 직접 접촉하여 연소가 발생하고 동시에 전해질이 점화되고 강한 불꽃이 발생하며 가스가 급속히 팽창하고 폭발할 수 있습니다.

또한 휴대폰 리튬 이온 배터리의 경우 압출, 충격 및 수분 흡입과 같은 부적절한 사용으로 인해 배터리 팽창, 변형 및 균열 등이 발생하여 방전 또는 충전 과정에서 배터리 단락이 발생할 수 있습니다. 열폭발로.

리튬 배터리의 안전성:

부적절한 사용으로 인한 과방전 또는 과충전을 방지하기 위해 단일 리튬 이온 배터리에 3중 보호 메커니즘이 설정되어 있습니다. 하나는 스위칭 소자를 사용하는 것입니다. 배터리 온도가 상승하면 저항이 상승하고, 온도가 너무 높으면 자동으로 전원 공급이 중단됩니다. 두 번째는 적절한 칸막이 재료를 선택하는 것입니다. 온도가 특정 값으로 상승하면 칸막이의 미크론 기공이 자동으로 용해되어 리튬 이온이 통과할 수 없게 되어 배터리 내부 반응이 중지됩니다. 세 번째는 안전밸브(즉, 배터리 상단의 통풍구)를 설정하는 것이다. 배터리의 내부 압력이 특정 값으로 상승하면 안전 밸브가 자동으로 열려 배터리의 안전을 보장합니다.

때로는 배터리 자체에 안전 제어 조치가 있지만 제어 실패로 인한 몇 가지 이유로 인해 안전 밸브가 부족하거나 가스가 안전 밸브를 통해 방출될 시간이 없어 배터리 내부 압력이 급격히 상승하여 폭발. 일반적으로 리튬 이온 배터리에 저장된 총 에너지는 안전성에 반비례합니다. 배터리의 용량이 커지면 배터리의 부피도 커지며, 방열 성능도 저하되어 사고 가능성도 크게 높아진다. 휴대폰에 사용되는 리튬이온 배터리의 기본 요건은 안전사고 확률이 100만분의 1 미만이어야 한다는 것인데, 이는 국민이 수용할 수 있는 최소 기준이기도 하다. 대용량 리튬이온 배터리, 특히 자동차의 경우 강제 방열을 채택하는 것이 매우 중요합니다.

분자 구조 측면에서 더 안전한 전극 재료인 리튬 망간 산화물 재료를 선택하면 완전 충전 상태에서 양극의 리튬 이온이 음극 탄소 구멍에 완전히 내장되어 근본적으로 수상돌기 생성을 방지할 수 있습니다. 동시에, 리튬망간산의 구조는 안정하여 산화성능이 리튬코발트산보다 훨씬 낮고, 외부 외부 단락(니들링), 외부 단락으로 인해 리튬코발트산의 분해 온도가 100℃ 이상입니다. 단락, 과충전도 리튬 금속 침전으로 인한 연소 및 폭발 위험을 완전히 피할 수 있습니다.

또한 망간산리튬재료를 사용하면 원가를 대폭 절감할 수 있다.

기존 안전 제어 기술의 성능을 향상시키기 위해서는 먼저 대용량 배터리에서 특히 중요한 리튬이온 배터리 코어의 안전 성능을 향상시켜야 합니다. 열 차단 성능이 좋은 다이어프램을 선택하세요. 다이어프램의 역할은 리튬 이온의 통과를 허용하면서 배터리의 양극과 음극을 분리하는 것입니다. 온도가 올라가면 막이 녹기 전에 막이 닫혀 내부 저항이 2,000Ω으로 올라가고 내부 반응이 차단됩니다. 내부 압력이나 온도가 미리 설정된 표준에 도달하면 방폭 밸브가 열리고 압력이 완화되기 시작하여 내부 가스의 과도한 축적, 변형 및 결국 포탄 파열로 이어지는 것을 방지합니다. 제어 감도를 향상시키고 보다 민감한 제어 매개변수를 선택하며 여러 매개변수의 결합 제어를 채택합니다(대용량 배터리에 특히 중요함). 대용량 리튬 이온 배터리 팩의 경우 직렬/병렬 다중 셀 구성입니다. 예를 들어 노트북 컴퓨터 전압은 10V 이상이며 대용량은 일반적으로 3~4개의 단일 배터리 시리즈를 사용하여 전압 요구 사항을 충족할 수 있으며 2~3개의 시리즈를 사용할 수 있습니다. 대용량을 보장하기 위해 배터리 팩을 병렬로 배치합니다.

고용량 배터리 팩 자체는 비교적 완벽한 보호 기능을 갖추고 있어야 하며, 두 종류의 회로 기판 모듈인 ProtecTIonBoardPCB 모듈과 SmartBatteryGaugeBoard 모듈도 고려해야 합니다. 전체 배터리 보호 설계에는 레벨 1 보호 IC(배터리 과충전, 과방전, 단락 방지), 레벨 2 보호 IC(2차 과전압 방지), 퓨즈, LED 표시기, 온도 조절 및 기타 구성 요소가 포함됩니다. 다단계 보호 메커니즘에 따라 비정상적인 전원 충전기 및 노트북의 경우에도 노트북 배터리는 자동 보호 상태로만 전환될 수 있습니다. 상황이 심각하지 않은 경우에는 폭발 없이 플러그를 꽂고 제거한 후 정상적으로 작동하는 경우가 많습니다.

노트북이나 휴대폰에 사용되는 리튬이온 배터리에 사용되는 기반 기술은 안전하지 않아 보다 안전한 구조를 고려해야 합니다.

결론적으로, 재료 기술의 발전과 리튬 이온 배터리의 설계, 제조, 테스트 및 사용 요구 사항에 대한 사람들의 이해가 깊어짐에 따라 리튬 이온 배터리의 미래는 더욱 안전해질 것입니다.