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鋰電池膨脹損壞原因和保護(hù)措施

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鋰,原子序數(shù)3,原子量為6.941,是最輕的堿金屬元素。為了提升安全性及電壓,科學(xué)家們發(fā)明了用石墨及鈷酸鋰等材料來儲存鋰原子。這些材料的分子結(jié)構(gòu),形成了納米等級的細(xì)小儲存格子,可用來儲存鋰原子。這樣一來,即使是電池外殼破裂,氧氣進(jìn)入,也會因氧分子太大,進(jìn)不了這些細(xì)小的儲存格,使得鋰原子不會與氧氣接觸而避免爆炸。

外殼特性
鋰,原子序數(shù)3,原子量為6.941,是最輕的堿金屬元素。為了提升安全性及電壓,科學(xué)家們發(fā)明了用石墨及鈷酸鋰等材料來儲存鋰原子。這些材料的分子結(jié)構(gòu),形成了納米等級的細(xì)小儲存格子,可用來儲存鋰原子。這樣一來,即使是電池外殼破裂,氧氣進(jìn)入,也會因氧分子太大,進(jìn)不了這些細(xì)小的儲存格,使得鋰原子不會與氧氣接觸而避免爆炸。
保護(hù)措施
鋰電池芯過充到電壓高于 4.2V 后,會開始產(chǎn)生副作用。過充電壓愈高,危險性也跟著愈高。鋰電芯電壓高于 4.2V 后,正極材料內(nèi)剩下的鋰原子數(shù)量不到一半, 此時儲存格常會垮掉, 讓電池產(chǎn)生永久性的容量損失。 如果繼續(xù)充電,由于負(fù)極的儲存格已經(jīng)裝滿了鋰原子,后續(xù)的鋰金屬會堆積于負(fù)極材料表面。這些鋰原子會由負(fù)極表面往鋰離子來的方向長出樹枝狀結(jié)晶。這些鋰金屬結(jié)晶會穿過隔膜,使正負(fù)極短路。有時在短路發(fā)生前電池就先爆炸,這是因?yàn)樵谶^充過程,電解液等材料會分解產(chǎn)生氣體,使得電池外殼或壓力閥鼓脹破裂,讓氧氣進(jìn)去與堆積在負(fù)極表面的鋰原子反應(yīng),進(jìn)而爆炸。
因此,鋰電池充電時,一定要設(shè)定電壓上限, 才可以同時兼顧到電池的壽命、容量、和安全性。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(dāng)電芯電壓低于 2.4V 時, 部分材料會開始被破壞。 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 才停止。鋰電池從 3.0V 放電到 2.4V 這段期間,所釋放 的能量只占電池容量的 3%左右。因此,3.0V 是一個理想的放電截止電壓。 充放電時,除了電壓的限制,電流的限制也有其必要。電流過大時,鋰離子來不及進(jìn)入儲存格,會聚集于材料表面。
這些鋰離子獲得電子后,會在材料表面產(chǎn)生鋰原子結(jié)晶,這與過充一樣,會造成危險性。萬一電池外殼破裂,就會爆炸。 因此,對鋰離子電池的保護(hù),至少要包含:充電電壓上限、放電電壓下限、及電流上限三項(xiàng)。一般鋰電池組內(nèi),除了鋰電池芯外,都會有一片保護(hù)板,這片保護(hù)板主要就是提供這三項(xiàng)保護(hù)。但是,保護(hù)板的這三項(xiàng)保護(hù)顯然是不夠的,全球鋰電池爆炸事件還是頻傳。要確保電池系統(tǒng)的安全性,必須對電池爆炸的原因, 進(jìn)行更仔細(xì)的分析。

鋰電池

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