鉅大LARGE | 點擊量:473次 | 2019年06月06日
鋰離子電池特性的原理
鋰電池又分為鋰一次電池(又稱鋰原電池)與鋰二次電池(鋰充電電池),與1912年由GilbertN.Lewis第一次提出,將人們的視線引向了生動金屬電池上。在鋰二次電池的底子上,又生長起來鋰離子電池
一、鋰離子電池特性
鋰是化學周期表上直徑最小也最生動的金屬。體積小以是容量密度高,廣受斲喪者與工程師歡迎。但是,化學特性太生動,則帶來了極高的傷害性。鋰金屬袒露在氣氛中時,會與氧氣孕育發(fā)生劇烈的氧化回聲而爆炸。為了提升平靜性及電壓,科學家們發(fā)明確用石墨及鈷酸鋰等質料來儲存鋰原子。這些質料的分子結構,形成了奈米等級的微小儲存格子,可用來儲存鋰原子。這樣一來,縱然是電池外殼破裂,氧氣進入,也會因氧分子太大,進不了這些微小的儲存格,使得鋰原子不會與氧氣打仗而制止爆炸。
鋰離子電池的這種原理,使得人們在得到它高容量密度的同時,也到達平靜的目的。鋰離子電池充電時,正極的鋰原子會喪失電子,氧化為鋰離子。鋰離子顛末電解液游到負極去,進入負極的儲存格,并得到一個電子,還原為鋰原子。放電時,整個步調倒過來。為了戒備電池的正負極直接碰觸而短路,電池內會再加上一種擁有眾多細孔的隔膜紙,來戒備短路。好的隔膜紙還可以在電池溫度過高時,自動關閉細孔,讓鋰離子無法穿越,以自廢武功,戒備傷害孕育發(fā)生。
掩護步調:鋰電池電芯過充到電壓高于4.2V后,會開始孕育發(fā)生副作用。過充電壓愈高,傷害性也隨著愈高。鋰電芯電壓高于4.2V后,正極質料內剩下的鋰原子數(shù)量不到一半,此時儲存格常會垮失,讓電池容量孕育發(fā)生永世性的降落。要是承繼充電,由于負極的儲存格已經裝滿了鋰原子,后續(xù)的鋰金屬會聚集于負極質料外貌。這些鋰原子會由負極外貌往鋰離子來的方向長出樹枝狀結晶。這些鋰金屬結晶會穿過隔膜紙,使正負極短路。偶爾在短路孕育發(fā)生前電池就先爆炸,這是由于在過充進程,電解液等質料會裂解產使氣體,使得電池外殼或壓力閥鼓漲破裂,讓氧氣進去與聚集在負極外貌的鋰原子回聲,進而爆炸。因此,鋰電池充電時,肯定要設定電壓上限,才可以同時兩全到電池的壽命、容量、寧靜靜性。最理想的充電電壓上限為4.2V。鋰電芯放電時也要有電壓下限。當電芯電壓低于2.4V時,部分質料會開始被破壞。又由于電池會自放電,放愈久電壓會愈低,因此,放電時最好不要放到2.4V才制止。鋰電池從3.0V放電到2.4V這段時期,所開釋的能量只占電池容量的3%左右。因此,3.0V是一個理想的放電制止電壓。充放電時,除了電壓的限定,電流的限定也有其須要。電流過大時,鋰離子來不及進入儲存格,會聚集于質料外貌。這些鋰離子得到電子后,會在質料外貌孕育發(fā)生鋰原子結晶,這與過充一樣,會造成傷害性。萬一電池外殼破裂,就會爆炸。因此,對鋰離子電池的掩護,至少要包括:充電電壓上限、放電電壓下限、及電流上限三項。一樣通常鋰電池組內,除了鋰電池芯外,都市有一片掩護板,這片掩護板緊張即是提供這三項掩護。但是,掩護板的這三項掩護顯然是不夠的,舉世鋰電池爆炸事故還是頻傳。
要確保電池體系的平靜性,必須對電池爆炸的緣故起因,舉行更細致的分析。
二、電池爆炸緣故起因:
1、內部極化較大;
2、極片吸水,與電解液孕育發(fā)生回聲氣鼓;
3、電解液本身的質量,性能標題;
4、注液時間注液量達不到工藝要求;
5、裝置制程中激光焊焊接密封性能差,漏氣.測漏氣漏測;
6、粉塵,極片粉塵首先易導致微短路,細致緣故起因未知;
7、正負極片較工藝領域偏厚,入殼難;
8、注液封口標題,鋼珠密封性能不好導致氣鼓;
9、殼體來料存在殼壁偏厚,殼體變形影響厚度;
三、爆炸典范分析
電池芯爆炸的類形可歸納為外部短路、內部短路、及過充三種。
此處的外部系指電芯的外部,包括了電池組內部絕緣籌劃不良等所引起的短路。當電芯外部孕育發(fā)生短路,電子組件又未能切斷回路時,電芯內部會孕育發(fā)生高熱,造成部分電解液汽化,將電池外殼撐大。當電池內部溫度高到135攝氏度時,質量好的隔膜紙,會將細孔關閉,電化學回聲制止或近乎制止,電流驟降,溫度也漸漸降落,進而制止了爆炸孕育發(fā)生。但是,細孔關閉率太差,或是細孔底子不會關閉的隔膜紙,會讓電池溫度承繼升高,更多的電解液汽化,著末將電池外殼撐破,以致將電池溫度前進到使質料燃燒并爆炸。
內部短路緊張是由于銅箔與鋁箔的毛刺穿破隔膜,或是鋰原子的樹枝狀結晶穿破膈膜所造成。這些微小的針狀金屬,會造成微短路。由于,針很細有肯定的電阻值,因此,電流不見得會很大。銅鋁箔毛刺系在生產進程造成,可觀察到的征象是電池泄電太快,多數(shù)可被電芯廠或是組裝廠篩檢出來。而且,由于毛刺微小,偶爾會被燒斷,使得電池又光復正常。因此,因毛刺微短路引發(fā)爆炸的機率不高。這樣的說法,可以從各電芯廠內部都常有充電后不久,電壓就偏低的不良電池,但是卻鮮少孕育發(fā)生爆炸事故,得到統(tǒng)計上的支持。因此,內部短路引發(fā)的爆炸,緊張還是由于過充造成的。由于,過充后極片上到處都是針狀鋰金屬結晶,刺穿點到處都是,到處都在孕育發(fā)生微短路。因此,電池溫度會徐徐升高,著末高溫將電解液氣體。這種環(huán)境,不論是溫度過高使質料燃燒爆炸,還是外殼先被撐破,使氣氛進去與鋰金屬孕育發(fā)生劇烈氧化,都是爆炸收場。
但是過充引發(fā)內部短路造成的這種爆炸,并不肯定孕育發(fā)生在充電確當時。有大概電池溫度還未高到讓質料燃燒、孕育發(fā)生的氣體也未足以撐破電池外殼時,斲喪者就制止充電,帶手機出門。這時眾多的微短路所孕育發(fā)生的熱,漸漸的將電池溫度前進,顛末一段時間后,才孕育發(fā)生爆炸。斲喪者共同的形貌都是拿起手機時發(fā)明手機很燙,扔失后就爆炸。綜合以上爆炸的典范,我們可以將防爆重點放在過充的戒備、外部短路的戒備、及提升電芯平靜性三方面。其中過充戒備及外部短路戒備屬于電子防護,與電池體系籌劃及電池組裝有較大干系。電芯平靜性提升之重點為化學與呆板防護,與電池芯制造廠有較大干系。
下一篇:引起鋰電池爆炸的材料分析