نگرانی های ایمنی لیتیوم یون

- Oct 12, 2017-

هنگامی که سونی نخستین باتری لیتیوم یون را در سال 1991 معرفی کرد، آنها از خطرات احتمالی ایمنی مطلع بودند. یادآوری از باتری لیتیوم فلزی قابل شارژ که قبلا منتشر شده بود، یادآوری ضعیف این رشته بود که باید با استفاده از این سیستم باتری با انرژی بالا، تمرین کند.

کار پیشگام برای باتری لیتیوم در سال 1912 شروع شد، اما تا اوایل دهه 1970، زمانی که اولین باتری لیتیوم غیر قابل شارژ تجاری در دسترس قرار گرفت، نبود. تلاش برای توسعه باتری های لیتیوم قابل شارژ در دهه هشتاد انجام شد. این مدل های اولیه مبتنی بر لیتیوم فلزی بود و دارای تراکم انرژی بالا بود. با این حال، ناپایداری های ذاتی فلز لیتیوم، به خصوص در هنگام شارژ، باعث ایجاد تغییر در ساختار می شود. این سلول دارای توانایی یک دور باطری حرارتی بود. درجه حرارت به سرعت به نقطه ذوب لیتیوم فلزی افزایش می یابد و موجب واکنش خشونت آمیز می شود. مقدار زیادی از باتری های لیتیوم قابل شارژ مجددا در سال 1991 پس از بسته شدن یک تلفن همراه با گازهای داغ و سوختن به چهره مرد، احضار شد.

به علت بی ثباتی ذاتی فلز لیتیوم، تحقیق به یک باتری لیتیوم غیر فلزی با استفاده از یون های لیتیوم تبدیل شده است. اگرچه چگالی انرژی کمی پایین تر است، سیستم لیتیوم یون بی خطر است و در هنگام شارژ و تخلیه، احتیاط های خاصی صورت می گیرد. امروزه یون لیتیوم یکی از شبیه ترین و با ارزش ترین مواد باتری است که در دسترس است. هر سال دو میلیارد سلول تولید می شود.

سلولهای یون لیتیوم با کاتد کبالت دو بار انرژی یک باتری مبتنی بر نیکل و چهار برابر اسید سرب را نگه می دارند. لیتیوم یون یک سیستم نگهداری کم است، مزیتی که اکثر مواد شیمیایی دیگر نمی توانند ادعا کنند. هیچ حافظه ای وجود ندارد و باتری نیازی به دوچرخه سواری برنامه ریزی شده ندارد تا عمر آن را طولانی کند. همچنین یون لیتیوم هیچ مشکلی با سولفات اسید اسید وجود ندارد که وقتی که باتری بدون شارژ مجدد بارگیری ذخیره می شود رخ می دهد. لیتیوم یون کم خود تخلیه و سازگار با محیط زیست است. دفع زباله باعث آسیب کمتری می شود.

زمانهای طولانی باتری همیشه آرزو بسیاری از مصرف کنندگان بوده است. تولید کنندگان باتری بسته بندی مواد فعالتری را به یک سلول پاسخ دادند و الکترودها و جداساز را نازک تر ساختند. این باعث افزایش دو برابر شدن تراکم انرژی شد زیرا لیتیوم یون در سال 1991 معرفی شد.

تراکم انرژی بالا به قیمت می رسد. روش های تولید مهم تر می شود که سلول ها به آن جذب می شوند. با ضخامت جداساز 25-25 میکرومتر، هر گونه نفوذ کوچک ذرات گرد و غبار فلزی می تواند پیامد ویران کننده ای داشته باشد. برای رسیدن به استاندارد ایمنی مجوز شده توسط UL 1642 مورد نیاز خواهد بود. در حالی که آزمایش نفوذ ناخن در سلول 18650 با ظرفیت 1.35Ah تحمل می شود، سلول 2.4Ah با تراکم جمعیت امروز در هنگام انجام آزمایش همان آزمون UL 1642 نیاز به نفوذ ناخن ندارد. باتری های لیتیوم یون در حال نزدیک شدن به حد تراکم تئوری خود هستند و تولید کنندگان باتری شروع به تمرکز بر بهبود روش های تولید و افزایش ایمنی می کنند.

به یاد بیاورید از باتری های لیتیوم یون

با استفاده زیاد از لیتیوم یون در تلفن های همراه، دوربین های دیجیتال و لپ تاپ ها، مشکلی وجود دارد. میزان شکست یک در 200،000 باعث فراخوانی تقریبا شش میلیون بسته یات لیتیوم یونی مورد استفاده در لپ تاپ های تولید شده توسط دل و اپل شد. شکستهای باتری مربوط به گرما بسیار جدی گرفته میشوند و تولیدکنندگان یک روش محافظهکارانه را انتخاب میکنند. تصمیم به جای دادن باتری مصرف کنندگان را آسان می کند و وکلا در حال خاموش شدن هستند. بیایید در حال حاضر نگاهی به آنچه در پشت یادآوری است نگاه کنیم.

سونی (Sony)، سازنده یون های لیتیوم یونی، می گوید که در موارد نادر، ذرات فلزی میکروسکوپی ممکن است با سایر قسمت های باتری همراه شوند، که منجر به اتصال کوتاه درون سلول می شود. اگر چه تولید کنندگان باتری تلاش می کنند که ذرات فلزی را به حداقل برسانند، تکنیک های جمع آوری پیچیده، حذف تمام گرد و غبار فلزی تقریبا غیرممکن است.

کوتاه کوتاه تنها باعث افزایش خود تخلیه می شود. گرمای کم تولید می شود زیرا انرژی تخلیه بسیار کم است. اگر، با این حال، ذرات فلزی به اندازه کافی میکروسکوپی در یک نقطه همگرا می شوند، می توان بزرگترین الکتریکی کوتاه را توسعه داد و یک جریان قابل توجه بین صفحات مثبت و منفی جریان می یابد. این باعث می شود که درجه حرارت افزایش یابد، که منجر به فرار حرارتی نیز می شود، همچنین به "شعله ور شدن" اشاره می شود.

سلولهای یون لیتیوم با کاتد های کبالت (همانند باتری های لپ تاپ به یادآوری) نباید بیش از 130 درجه سانتیگراد (265 درجه فارنهایت) افزایش یابد. در دمای 150 درجه سانتی گراد (302 درجه فارنهایت) سلول به طور غیرمستقیم گرمایشی می شود، وضعیتی که می تواند منجر به فرار از حرارتی شود که در آن گازهای افتادگی تخلیه می شوند.

در طول فرار حرارتی، گرمای بالای سلول شکست خورده می تواند به سلول بعدی نفوذ کند، و باعث می شود که آن را به طور غیرمستقیم گرمایشی نیز تبدیل کند. در برخی موارد، یک واکنش زنجیره ای اتفاق می افتد که در آن هر سلول در جدول زمانی خود تجزیه می شود. یک بسته می تواند ظرف چند ثانیه کوتاه تخریب شود یا به مدت چند ساعت باقی بماند زیرا هر سلول یک به یک مصرف می شود. برای افزایش ایمنی، بسته ها با تقسیم کننده ها برای محافظت از سلول شکستگی از گسترش به سلول های همسایه است.

blob.png

سطح ایمنی سیستم های لیتیوم یون

دو نوع اساسی شیمیایی لیتیوم یونی وجود دارد: کبالت و منگنز (اسپینل). برای رسیدن به حداکثر زمان اجرا، تلفن های همراه، دوربین های دیجیتال و لپ تاپ ها از لیتیم یون مبتنی بر کبالت استفاده می کنند. منگنز جدیدتر از دو شیمی است و ارائه می دهد پایداری حرارتی برتر است. این می تواند تا دمای 250 درجه سانتیگراد (482 درجه فارنهایت) قبل از تبدیل شدن به عدم ثبات حفظ شود. علاوه بر این، منگنز دارای مقاومت داخلی بسیار پایین است و می تواند با تقاضای زیاد جریان را تامین کند. این باتری ها به طور مداوم برای ابزار قدرت و وسایل پزشکی مورد استفاده قرار می گیرند. وسایل نقلیه هیبریدی و الکتریکی بعدی خواهند بود.

نقص اسپینل چگالی انرژی پایین است. به طور معمول، یک سلول ساخته شده از کاتد منگنز خالص تنها حدود نصف ظرفیت کبالت را فراهم می کند. کاربران تلفن همراه و لپ تاپ ها خوشحال خواهند شد اگر باتری های خود را تا نیمه راه از زمان اجرا انتظار نداشته باشند. برای پیدا کردن یک مصالحه کارآمد بین چگالی انرژی بالا، ایمنی عملیاتی و تحویل خوب در حال حاضر، تولید کنندگان باتری های لیتیوم یون می توانند فلزات را مخلوط کنند. مواد کاتدی معمولی کبالت، نیکل، منگنز و فسفات آهن است.

بگذارید خواننده را اطمینان دهم که باتری های لیتیوم یون در معرض ناپایداری های امنیتی و گرما هستند. تولید کنندگان باتری با اضافه کردن سه لایه حفاظتی به این قابلیت اطمینان بالا می رسند. آنها عبارتند از: [1] محدود کردن مقدار مواد فعال برای دستیابی به یک تعادل کارآمد از چگالی انرژی و ایمنی؛ [2] گنجاندن مکانیزم های ایمنی مختلف در سلول؛ و [3] اضافه کردن یک مدار حفاظت الکترونیکی در بسته باتری.

این دستگاه های حفاظتی به روش های زیر عمل می کنند: دستگاه PTC که در سلول ساخته شده است به عنوان حفاظت از مهار جریان های جریان بالا عمل می کند؛ دستگاه وقفه مدار (CID) مسیر الکتریکی را باز می کند اگر ولتاژ شارژ بیش از حد بالا فشار سلولی داخلی را تا 10 بار افزایش دهد (150 psi)؛ و خروج ایمنی اجازه می دهد تا کنترل گاز آزاد در صورت افزایش سریع فشار سلولی. علاوه بر ضمانت های مکانیکی، مدار حفاظت الکترونیکی خارج از سلول سوئیچ حالت جامد را باز می کند اگر ولتاژ شارژ هر سلول به 4.30V برسد. یک فیوز جریان جریان را اگر دمای پوست سلول نزدیک به 90 درجه سانتیگراد (194 درجه فارنهایت) باشد، جریان می دهد. برای جلوگیری از تخلیه بیش از حد باتری، مدار کنترل مسیر فعلی را در حدود 2.50V / cell قطع می کند. در برخی از برنامه های کاربردی، ایمنی ذاتی بالاتر از سیستم اسپینل اجازه خروج از مدار الکتریکی را می دهد. در چنین مواردی، باتری به طور کامل بر روی دستگاه های حفاظتی که درون سلول ساخته شده است، تکیه می کند.

ما باید در نظر داشته باشیم که این اقدامات ایمنی ایمن تنها در صورتی انجام می شود که حالت عملیات از خارج به وجود می آید، مانند شارژر الکتریکی یا شارژر معیوب. در شرایط عادی، هنگامی که یک اتصال کوتاه رخ می دهد، یک باتری لیتیوم یون به راحتی خاموش می شود. اگر، با این حال، یک نقص به سلول الکتروشیمیایی ذاتی است، مانند آلودگی ناشی از ذرات فلزی میکروسکوپی، این ناهنجاری ناشناخته خواهد ماند. همچنین سیستم ایمنی نمی تواند پس از اینکه سلول در حالت فرار حرارتی قرار دارد، تخریب را متوقف کند. هیچ چیز نمی تواند آن را یک بار باعث شود.

چه چیزی باید هر کاربر باتری بداند

یک نگرانی عمده در صورتی اتفاق می افتد که اگر برق استاتیک یا یک شارژر معیوب مدار حفاظت باتری را نابود کند. چنین آسیب می تواند به طور دائم سوئیچ های حالت جامد در یک موقعیت ON و بدون اطلاع کاربر شناخته شود. یک باتری با مدار حفاظت معیوب ممکن است به طور معمول عمل کند اما حفاظت در مقابل سوء استفاده را فراهم نمی کند.

یکی دیگر از مسائل ایمنی شارژ دمای سرد است. باتری های لیتیوم یون مصرف کننده نمیتوانند زیر 0 درجه سانتیگراد (32 درجه فارنهایت) شارژ شوند. اگر چه بسته به نظر می رسد که به طور معمول شارژ می شود، پوشش دادن فلز لیتیوم بر روی آنود در حالی که در یک هزینه یخ زدگی رخ می دهد. پوشش دادن دائمی است و نمی تواند برداشته شود. اگر بارها انجام شده باشد، چنین آسیب هایی می تواند ایمنی بسته را به خطر بیندازد. اگر در معرض ضربه، خرد شدن یا شارژ باتری بالا قرار گیرد، باتری آسیب پذیرتر خواهد شد.

آسیا بسیاری از باتری های جایگزین با نام تجاری را که با استفاده از تلفن های همراه با قیمت پایین محبوب هستند، تولید می کند. بسیاری از این باتری ها همان استانداردهای ایمنی بالا را به عنوان معادل اصلی برند ارائه نمی دهند. یک خریدار هوشمند کمی بیشتر خرج می کند و باتری را با یک مدل معتبر جایگزین می کند. شکل 1 یک تلفن همراه را نشان می دهد که هنگام شارژ کردن در یک ماشین تخریب شده است. مالک معتقد است که یک بسته بدون نام باعث ویرانی شد.

برای جلوگیری از نفوذ بسته های ناامن در بازار، اکثر تولید کنندگان سلول های لیتیوم یونی را فقط برای نصب کننده های باطری تایید می کنند. ورود یک مدار ایمنی تأیید شده بخشی از نیاز خرید است. این امر برای یک علاقمند به خرید سلولهای یون لیتیوم یونی در یک فروشگاه دشوار است. علاقمندان هیچ انتخاب دیگری از بازگشت به باتری های مبتنی بر نیکل ندارند. من می توانم در صورت استفاده از یک باتری لیتیوم یونی ناشناس از منبع آسیایی، اگر چنین سلول هایی در دسترس باشد، احتیاط خواهم کرد.

احتیاط ایمنی به خصوص در باتری های بزرگ مانند بسته های لپ تاپ بسیار مهم است. اگر چیزی اشتباه باشد، خطر خیلی بیشتر از یک باتری تلفن همراه کوچک است. به همین علت، بسیاری از تولید کنندگان لپ تاپ باتری های خود را با یک کد مخفی که فقط کامپیوتر قابل تطبیق می تواند به آنها دسترسی پیدا کند، محافظت می کند. این باعث می شود که باتری های نام تجاری نامرئی از سیل در بازار جلوگیری شود. اشکال قیمت بالاتر برای باتری جایگزین است. خوانندگان www.BatteryUniversity.com معمولا از منبع باتری های لپ تاپ ارزان قیمت خود می پرسند. من باید خریداران را ناامید کنم و آنها را به عنوان فروشنده اصلی برای یک بسته نام تجاری هدایت کنم.

با توجه به تعداد باتری های لیتیوم یون که در بازار استفاده می شود، این سیستم ذخیره انرژی سبب آسیب و آسیب شخصی شده است. به رغم رکورد خوب، ایمنی آن یک موضوع داغ است که توجه رسانه ها را به خود جلب می کند، حتی در یک حادثه کوچک. این احتیاط برای مصرف کننده مناسب است زیرا ما اطمینان خواهیم داشت که این دستگاه ذخیره انرژی محبوب امن است. پس از فراخوان از باتری های لپ تاپ دل و اپل، تولید کنندگان سلول نه تنها سعی می کنند انرژی بیشتری را در بسته قرار دهند، بلکه تلاش خواهند کرد تا آن را از گلوله های مقاوم تر نیز بسازند.