Ekspansionsskade af lithium-batterier

Skals egenskaber
Lithium, med et atomnummer på 3 og en atomvægt på 6,941, er det letteste alkalimetalelement. For at forbedre sikkerheden og spændingen har forskere opfundet materialer som grafit og lithiumkoboltoxid til at lagre lithiumatomer. Den molekylære struktur af disse materialer danner små lagringsgitre i nanoskala, der kan bruges til at opbevare lithiumatomer. På denne måde, selvom batterihuset brister, og der kommer ilt ind, kan de på grund af den store størrelse af iltmolekyler ikke komme ind i disse små opbevaringsrum, hvilket forhindrer lithium-atomer i at komme i kontakt med ilt og undgår eksplosioner.
Beskyttende foranstaltninger
Efter overopladning af lithiumbattericeller til en spænding højere end 4,2V, vil bivirkninger begynde at forekomme. Jo højere overopladningsspænding, jo større er faren. Når spændingen af ​​en lithiumbattericelle overstiger 4,2V, forbliver mindre end halvdelen af ​​lithiumatomerne i det positive elektrodemateriale, hvilket får opbevaringsrummet til at kollapse og resulterer i permanent kapacitetstab af batteriet. Hvis opladningen fortsætter, da opbevaringsrummet på den negative elektrode allerede er fyldt med lithiumatomer, vil efterfølgende lithiummetal ophobes på overfladen af ​​det negative elektrodemateriale. Disse lithiumatomer vil vokse dendritiske krystaller fra den negative elektrodeoverflade i retning af lithiumioner. Disse lithiummetalkrystaller vil passere gennem separatoren, hvilket forårsager en kortslutning mellem de positive og negative elektroder. Nogle gange eksploderer batteriet, før der opstår en kortslutning, for under overopladning vil materialer som elektrolyt nedbrydes og producere gas, hvilket får batterihuset eller trykventilen til at svulme og briste, hvilket tillader ilt at trænge ind og reagere med lithiumatomer akkumuleret på den negative elektrode overflade, hvilket fører til en eksplosion.
Ved opladning af lithiumbatterier er det derfor nødvendigt at indstille en øvre grænse for spændingen for samtidig at tage hensyn til batteriets levetid, kapacitet og sikkerhed. Den ideelle øvre grænse for ladespænding er 4,2V. Der bør også være en lavere spændingsgrænse ved afladning af lithiumbatterier. Når battericellens spænding er under 2,4V, vil nogle materialer begynde at blive beskadiget. På grund af batteriets selvafladning vil spændingen falde over tid. Derfor er det bedst ikke at aflade den til 2,4V, før du stopper. I løbet af afladningsperioden fra 3.0V til 2.4V udgør den energi, der frigives af lithiumbatterier, kun omkring 3 % af batterikapaciteten. Derfor er 3.0V en ideel udladningsafskæringsspænding. Under op- og afladning er der udover spændingsbegrænsninger også nødvendige strømbegrænsninger. Når strømmen er for høj, kan lithiumioner ikke komme ind i lagercellen i tide og vil ophobes på materialets overflade.
Efter at have opnået elektroner vil disse lithium-ioner producere lithium-atomkrystaller på overfladen af ​​materialet, som ligesom overopladning kan forårsage fare. Hvis batterihuset brister, vil det eksplodere. Derfor bør beskyttelsen af ​​lithium-ion-batterier mindst omfatte tre elementer: øvre grænse for ladespænding, nedre grænse for afladningsspænding og øvre grænse for strøm. I en typisk lithiumbatteripakke er der udover lithiumbattericellerne en beskyttelsesplade, der hovedsageligt giver disse tre beskyttelser. Imidlertid er disse tre beskyttelser af beskyttelsestavlen åbenbart ikke nok, og globale lithiumbatterieksplosionshændelser er stadig hyppige. For at sikre batterisystemets sikkerhed skal der udføres en mere omhyggelig analyse af årsagerne til batterieksplosioner.