آیا باتری های لیتیوم خطرناک هستند؟

این تصور که «باتری‌های لیتیومی قابل اشتعال و منفجره هستند» برای بسیاری به یک برداشت عمیق تبدیل شده است. با این حال، گرمای تولید شده در طول استفاده روزمره معمولاً از پردازنده‌های با سرعت بالا سرچشمه می‌گیرد - بسیار کمتر از آستانه مورد نیاز برای ایجاد فرار حرارتی. حساسیت افزایش یافته ما به ایمنی باتری از این واقعیت ناشی می شود که این باتری ها عمیقاً در هر جنبه ای از زندگی ما ادغام شده اند، با این حال بیشتر مردم در مورد منابع واقعی خطر، تفاوت های ایمنی بین فناوری های مختلف باتری و گام های عملی مورد نیاز برای جلوگیری واقعی از خطرات نامشخص هستند.

I. "اشتعال پذیری" باتری های لیتیومی از کجا می آید؟

برای درک ایمنی باتری، ابتدا باید ساختار اصلی و منطق عملکرد باتری های لیتیومی را درک کرد. با در نظر گرفتن متداول ترین نوع - باتری لیتیومی سه تایی - به عنوان مثال، هسته از چهار جزء تشکیل شده است: کاتد (به عنوان مثال، اکسید نیکل- کبالت- منگنز)، آند (معمولا گرافیت)، الکترولیت آلی و جداکننده.

اصل کار ساده است: در حین شارژ، یون های لیتیوم از کاتد جدا می شوند، از الکترولیت و جداکننده عبور می کنند و به آند وارد می شوند. در هنگام تخلیه، یون ها از آند به کاتد برمی گردند. این حرکت رفت و برگشت امکان ذخیره و آزادسازی انرژی الکتریکی را فراهم می کند. این واکنش ردوکس کنترل شده پایه و اساس خروجی توان پایدار باتری را تشکیل می دهد.
با این حال، این عملکرد بالا ذاتاً خطرات ایمنی را به همراه دارد.

عوامل کلیدی موثر در احتراق
برای دستیابی به ولتاژ بالا و چگالی انرژی بالا، مواد انتخاب شده برای باتری های لیتیومی دارای خطرات ذاتی هستند:

• الکترولیت های آلی بسیار قابل اشتعال هستند
باتری های لیتیومی معمولاً از الکترولیت های آلی مبتنی بر کربنات استفاده می کنند. در حالی که اینها محدوده های ولتاژ بالا را پشتیبانی می کنند و انتقال کارآمد یون را تضمین می کنند، ذاتا قابل اشتعال و فرار هستند و در معرض دمای بالا یا شعله های باز خطر احتراق ایجاد می کنند.
• کاتدها در دمای بالا تجزیه شده و اکسیژن آزاد می کنند
مواد کاتد سه تایی، به ویژه، در محیط‌های با دمای بالا تجزیه می‌شوند و اکسیژن آزاد می‌کنند و به‌عنوان یک شتاب‌دهنده برای احتراق عمل می‌کنند.
• جداکننده ها نازک و شکننده هستند
برای تسهیل حرکت سریع لیتیوم یون و پشتیبانی از شارژ سریع، جداکننده‌های باتری بسیار نازک ساخته شده‌اند که از نظر ضخامت با یک کیسه پلاستیکی معمولی قابل مقایسه است. این به عنوان مانع حیاتی برای جداسازی الکترودهای مثبت و منفی عمل می کند و از اتصال کوتاه داخلی جلوگیری می کند. اگر آسیب ببیند - چه به دلیل پیری، سوراخ شدن یا دمای بالا - الکترودها مستقیماً در تماس هستند و باعث آزاد شدن آنی و شدید گرما می شوند.

از سه عنصر مورد نیاز برای احتراق - سوخت، اکسید کننده و منبع احتراق - باتری های لیتیومی ذاتا دارای دو عنصر اول هستند. اگر یک اتصال کوتاه داخلی یا گرمای بیش از حد مداوم عنصر سوم را تحریک کند، یک واکنش زنجیره ای به نام "فرار حرارتی" رخ می دهد: افزایش دما تجزیه مواد را تسریع می کند و گرمای آزاد شده در طول تجزیه دما را حتی بالاتر می برد و در نهایت منجر به تورم، نشت یا حتی آتش سوزی و انفجار می شود.

II. تفاوت های ایمنی: لیتیوم سه گانه، LFP و حالت نیمه جامد

طیف گسترده‌ای از باتری‌های لیتیومی در بازار وجود دارد که همه چیز را از تلفن‌های همراه و وسایل نقلیه الکتریکی گرفته تا سیستم‌های ذخیره انرژی خانگی و نیروگاه‌های قابل حمل در فضای باز تامین می‌کند. باتری‌های مبتنی بر فناوری‌های مختلف، پایداری حرارتی ذاتی و پروفایل‌های ریسک بسیار متفاوتی را نشان می‌دهند. هیچ "ایمن ترین" گزینه واحدی وجود ندارد. در عوض، راه حل های متناسب با شرایط عملیاتی خاص وجود دارد.

1. فسفات آهن لیتیوم (LFP): پایداری حرارتی برتر و تحمل خطای بالاتر

LFP به دلیل پایداری حرارتی برتر به طور گسترده ای شناخته شده است. مواد کاتدی آن دارای ساختار شیمیایی پایداری است که در برابر تجزیه سریع و انتشار گرما در دماهای بالا مقاومت می کند و در نتیجه آستانه بسیار بالاتری برای تحریک فرار حرارتی در مقایسه با باتری های لیتیومی سه تایی ایجاد می کند. حتی زمانی که در معرض آسیب فیزیکی مانند سوراخ شدن یا خرد شدن قرار می گیرد، احتمال انتشار گرمای شدید یا شعله های باز کمتر است. این باتری‌ها در صورت نگهداری کامل یا نگهداری در محیط‌های با دمای بالا، انعطاف‌پذیری بیشتری از خود نشان می‌دهند و حاشیه ایمنی بیشتری را ارائه می‌دهند. اشکال اصلی آنها عملکرد ضعیف تر در دمای پایین است. تخلیه پایدار با توان بالا در دماهای زیر صفر می‌تواند منجر به عدم تعادل ولتاژ شود و سیستم مدیریت متعادل‌سازی سلولی قوی‌تر را ضروری کند. در نتیجه، LFP انتخاب اصلی برای ذخیره‌سازی انرژی، سیستم‌های برق خانگی و برنامه‌هایی است که ایمنی در آنها اولویت دارد.

2. لیتیوم سه تایی: چگالی انرژی بالاتر، تکیه بر حفاظت در سطح سیستم
مزایای باتری های لیتیومی سه تایی در چگالی انرژی بالا و عملکرد تخلیه پایدار در دماهای پایین نهفته است. از آنجایی که آنها می توانند انرژی بیشتری را در یک حجم ذخیره کنند، به طور گسترده در تلفن های همراه، لپ تاپ ها و وسایل نقلیه برقی پیشرفته استفاده می شوند. با این حال، تعادل این است که سلول های باتری از نظر شیمیایی فعال تر هستند. شارژ در دمای بالا، عملکرد با بار کامل پایدار و ذخیره سازی طولانی مدت با شارژ کامل، خطرات تولید گرما و تخریب را افزایش می دهد. عملکرد ایمنی به شدت به سیستم مدیریت حرارتی همراه، ماژول‌های کنترل دما و حفاظت در برابر شارژ/تخلیه بیش از حد متکی است. تا زمانی که این اقدامات حفاظتی وجود داشته باشد، ایمنی در طول استفاده روزانه به طور کامل تضمین می شود. با این حال، در غیاب چنین حفاظتی یا در موارد سوء استفاده، سطح خطر سریعتر از باتری های لیتیوم آهن فسفات (LFP) افزایش می یابد.

3. حالت نیمه جامد: یک راه حل تکاملی که عملکرد و ایمنی را متعادل می کند
باتری های نیمه جامد که به عنوان یک فناوری انتقالی بین باتری های لیتیومی الکترولیت مایع و باتری های تمام حالت جامد عمل می کنند، نسبت الکترولیت مایع را به میزان قابل توجهی کاهش می دهند و ساختار آب بندی سلول را بهینه می کنند، در نتیجه به طور اساسی خطرات نشت الکترولیت و احتراق را کاهش می دهند. آنها خروجی انرژی چشمگیر و عملکرد دمای پایین را حفظ می کنند و در عین حال به کاستی های ایمنی باتری های الکترولیت مایع سنتی می پردازند و آنها را به یک راه حل متعادل تبدیل می کند که عملکرد را با ایمنی هماهنگ می کند. به طور طبیعی، به عنوان یک فناوری تکاملی، الزامات سخت گیرانه تری را بر فرآیندهای تولید و سیستم مدیریت باتری (BMS) مربوطه تحمیل می کند. تنها محصولات تولید شده با استانداردهای دقیق می توانند این ویژگی های ایمنی متعادل را ارائه دهند.

یادداشت تکمیلی:دو شکل رایج از باتری های لیتیومی در لوازم الکترونیکی مصرفی
باتری های درجه یک مصرف کننده که در زندگی روزمره با آنها مواجه می شوند به طور کلی به دو دسته تقسیم می شوند:

باتری های لیتیوم یون (Li-ion).
به طور معمول دارای بسته بندی پوسته سخت استوانه ای یا منشوری (به عنوان مثال، سلول رایج 18650). به طور گسترده ای در لپ تاپ ها و ابزارهای برقی استفاده می شود، آنها فناوری بالغ و عمر چرخه طولانی را ارائه می دهند.

باتری های لیتیوم پلیمری (LiPo).
از الکترولیت‌های پلیمری و بسته‌بندی کیسه‌ای نرم استفاده کنید تا شکل‌های نازک، سبک و سفارشی مناسب برای گوشی‌های هوشمند، دستگاه‌های پوشیدنی و محصولات دیجیتالی باریک را ایجاد کنید. آنها مقاومت داخلی کمتر و قابلیت تخلیه برتر را در مقایسه با سلول های پوسته سخت الکترولیت مایع سنتی ارائه می دهند، اگرچه مقاومت آنها در برابر سوراخ شدن و خرد شدن محدود است.

III. یک باتری لیتیومی واجد شرایط چند لایه محافظ ایمنی دارد؟

نیازی به ترس از باتری های لیتیومی وجود ندارد. این صنعت مدت‌هاست که چندین لایه محافظ ایمنی را برای رفع محدودیت‌های ذاتی خود پیاده‌سازی کرده است. از مواد گرفته تا سیستم‌ها و از سلول‌های منفرد گرفته تا بسته باتری کامل، دفاع ایمنی محصولات واجد شرایط بسیار قوی‌تر از آن چیزی است که یک فرد معمولی تصور می‌کند.

1. سطح مواد: کاهش خطر در منبع

تلاش‌ها برای بهینه‌سازی مواد مستمر بوده و سه موضوع اصلی را هدف قرار داده است: الکترولیت‌های قابل اشتعال، جداکننده‌های شکننده و رشد دندریت:

افزودن مواد بازدارنده شعله ویژه به الکترولیت برای افزایش نقطه اشتعال و جلوگیری از گسترش آتش.
اعمال پوشش های سرامیکی روی سطح جداکننده برای افزایش قابل توجه استحکام مکانیکی، در نتیجه کاهش احتمال سوراخ شدن یا شکست در دماهای بالا.
ساخت یک لایه بین فاز الکترولیت جامد (SEI) روی سطح الکترود برای کند کردن رشد دندریت لیتیوم و کاهش خطر اتصال کوتاه داخلی در طول دوچرخه‌سواری طولانی‌مدت.

2. سطح سیستم: BMS به عنوان نگهبان ایمنی باتری
اگر مواد خط دفاع اولیه را تشکیل دهند، سیستم مدیریت باتری (BMS) به عنوان "نگهبان ایمنی" در وظیفه ثابت عمل می کند. ولتاژ، جریان و دمای هر رشته سلولی را در زمان واقعی نظارت می کند. اگر هر پارامتری از آستانه های ایمنی فراتر رفت، فوراً اقداماتی را انجام می دهد - مانند کاهش عملکرد، محدود کردن جریان، یا حتی قطع اجباری برق - برای کاهش خطرات در جوانه. از باتری گوشی‌های هوشمند گرفته تا بسته‌های باتری خودروهای الکتریکی، BMS یک جزء اصلی ضروری است. یک مشکل رایج در مورد باتری‌های بدون برند یا اصلاح‌شده، حذف یک BMS مناسب یا استفاده از راه‌حل‌های ارزان و کم دقت است که قادر به تشخیص ناهنجاری‌ها به موقع نیستند.

ACEY-BP32-200A200Aدستگاه تست BMSبا سطح اتوماسیون بالا، سرعت تست سریع و دقت تست بالا است. دارای 13 تست عملکرد شامل شارژ بیش از حد، بازیابی اضافه شارژ، تخلیه بیش از حد، بازیابی بیش از حد، جریان اضافه (جریان اضافه شارژ و جریان بیش از حد شارژ)، مقاومت داخلی، خود مصرفی، حفاظت از اتصال کوتاه، زمان حفاظت از شارژ بیش از حد، زمان حفاظت در برابر جریان بیش از حد، زمان حفاظت از شارژ بیش از حد، جریان یکسان سازی و ولتاژ یکسان سازی.

3. حفاظت پیشرفته برای باتری های برق
برای باتری‌های نیرو و باتری‌های ذخیره‌سازی انرژی - که ظرفیت‌های بالاتری دارند و در شرایط پیچیده‌تر کار می‌کنند - استانداردهای حفاظتی بیشتر افزایش می‌یابد:

جنس فیزیکی محکم برای مقاومت در برابر آسیب ناشی از برخورد یا نیروهای خرد کردن؛
سیستم های خنک کننده مایع یا هوا برای کنترل دقیق دمای عملکرد سلول و جلوگیری از گرمای بیش از حد پایدار.
دریچه های ضد فشار/ضد انفجار که در صورت افزایش غیرعادی فشار داخلی گاز را به طور فعال تخلیه می کنند و از انفجارهای شدید جلوگیری می کنند.
این طرح‌ها برای موقعیت‌هایی که شکست اجتناب‌ناپذیر است، در نظر گرفته نشده‌اند، بلکه برای ایجاد یک حاشیه ایمنی کافی برای سناریوهای شدید طراحی شده‌اند. تحت استفاده معمولی، ممکن است هرگز مورد نیاز نباشند. با این حال، در شرایط شدید، آنها به عنوان آخرین خط دفاع برای ایمنی خدمت می کنند.

IV. اگر باتری متورم شود یا عمرش به پایان برسد چه باید کرد؟ مدیریت صحیح برای جلوگیری از خطرات ثانویه

هنگامی که باتری ها به پایان عمر خود می رسند، تورم و کاهش ظرفیت یک پدیده طبیعی است. با این حال، حمل و نقل نامناسب می تواند خطرات ایمنی جدیدی ایجاد کند.

1. باتری های متورم را دستکاری نکنید
علت اصلی تورم تولید گاز ناشی از تجزیه الکترولیت است که فشار داخلی را افزایش می دهد و ساختار باتری را بی ثبات می کند. بسیاری از مردم ممکن است فکر کنند، "فقط یک سوراخ ایجاد کنید تا گاز خارج شود"، اما این بسیار خطرناک است. سوراخ کردن باتری به راحتی می تواند باعث ایجاد یک اتصال کوتاه داخلی شود که باعث خاموش شدن فوری آن می شود. علاوه بر این، الکترولیت به سرعت واکنش نشان می دهد و در تماس با هوا گرما تولید می کند. اگر متوجه یک باتری متورم شدید، اقدام صحیح این است که فوراً استفاده از آن را متوقف کنید، آن را در یک ظرف غیر فلزی خنک و دارای تهویه مناسب جدا کنید و در اسرع وقت آن را به مرکز بازیافت باتری مجاز منتقل کنید - آن را به سادگی در سطل زباله خانگی نیندازید.

2. دفع صحیح ضایعات باتری ها
* باتری های لیتیومی به عنوان زباله های خطرناک طبقه بندی می شوند. آنها حاوی فلزات سنگین و اجزای شیمیایی مضر هستند و نباید به طور اتفاقی دور ریخته شوند یا در سطل های زباله خانگی معمولی ریخته شوند.
* پایانه ها را قبل از دفع عایق بندی کنید: پایانه های مثبت و منفی را با نوار چسب بپوشانید تا از اتصال کوتاه ناشی از تماس با مواد رسانا جلوگیری کنید. برای بسته های باتری چند سلولی، هر زمان که ممکن است، سلول های جداگانه را عایق بندی کنید.
* آنها را در سطل‌های بازیافت باتری که در مجتمع‌های مسکونی یا مراکز خرید یافت می‌شود، بگذارید یا برای دفع حرفه‌ای و ایمن به مراکز مجاز بازیافت یا مراکز خدمات الکترونیک تحویل دهید.

نتیجه گیری
از تلفن‌های همراه و هدفون گرفته تا وسایل نقلیه الکتریکی و سیستم‌های ذخیره انرژی خانگی، باتری‌های لیتیومی زیربنای کل عصر هوشمندی موبایل و انرژی جدید هستند. در حالی که آنها کامل نیستند - ذاتاً شامل یک مبادله بین عملکرد و ایمنی هستند - بسیار کمتر از آن چیزی که بسیاری تصور می کنند خطرناک هستند. با هر نسل از تکرارهای تکنولوژیکی، مرزهای ایمنی به تدریج بیشتر شده است.

امروزه، باتری‌های حالت جامد که از الکترولیت‌های جامد غیرقابل اشتعال استفاده می‌کنند، به سمت تجاری‌سازی حرکت می‌کنند و اساساً مسائل اشتعال‌پذیری مرتبط با الکترولیت‌های مایع را حل می‌کنند. در همین حال، سیستم‌های مدیریت حرارتی پیشرفته و الگوریتم‌های هوشمندتر سیستم مدیریت باتری (BMS) همچنان نقاط کور ایمنی را به حداقل می‌رسانند.

درباره ما

ایسی نیو انرژیارائه دهنده تجهیزات پیشرفته و راه حل های کامل خط تولید متخصص در بخش باتری انرژی جدید است. ما به تولیدکنندگان جهانی باتری، موسسات تحقیقاتی و سازمان‌های انرژی نوآور خدمات جامع و کامل چرخه عمر ارائه می‌کنیم - از توسعه آزمایشی تا تولید انبوه. ما راه حل های مونتاژی را برای باتری های لیتیوم یون و پلیمر ارائه می دهیم.