Uszkodzenia spowodowane rozszerzaniem baterii litowych

Charakterystyka skorupy
Lit o liczbie atomowej 3 i masie atomowej 6,941 jest najlżejszym pierwiastkiem metalu alkalicznego. Aby poprawić bezpieczeństwo i napięcie, naukowcy wynaleźli materiały takie jak grafit i tlenek litu i kobaltu, służące do przechowywania atomów litu. Struktura molekularna tych materiałów tworzy małe siatki magazynujące w skali nano, które można wykorzystać do przechowywania atomów litu. W ten sposób, nawet jeśli obudowa akumulatora pęknie i do środka dostanie się tlen, ze względu na duży rozmiar cząsteczek tlenu, nie może on przedostać się do tych małych schowków, co zapobiega kontaktowi atomów litu z tlenem i uniknięciu eksplozji.
Środki ochronne
Po przeładowaniu ogniw baterii litowej do napięcia wyższego niż 4,2V zaczną pojawiać się skutki uboczne. Im wyższe napięcie przeładowania, tym większe niebezpieczeństwo. Kiedy napięcie ogniwa akumulatora litowego przekracza 4,2 V, w materiale elektrody dodatniej pozostaje mniej niż połowa atomów litu, co powoduje zapadnięcie się schowka i trwałą utratę pojemności akumulatora. Jeśli ładowanie będzie kontynuowane, ponieważ schowek elektrody ujemnej jest już wypełniony atomami litu, na powierzchni materiału elektrody ujemnej zgromadzi się kolejny lit metaliczny. Te atomy litu będą rosły kryształy dendrytyczne od powierzchni elektrody ujemnej w kierunku jonów litu. Kryształy litu metalicznego przejdą przez separator, powodując zwarcie pomiędzy elektrodą dodatnią i ujemną. Czasami akumulator eksploduje, zanim nastąpi zwarcie, ponieważ podczas przeładowania materiały takie jak elektrolit ulegną rozkładowi i wytworzy się gaz, powodując puchnięcie i pęknięcie obudowy akumulatora lub zaworu ciśnieniowego, umożliwiając przedostanie się tlenu i reakcję z atomami litu zgromadzonymi na elektrodzie ujemnej powierzchni, co prowadzi do eksplozji.
Dlatego podczas ładowania akumulatorów litowych konieczne jest ustawienie górnej granicy napięcia, aby jednocześnie uwzględnić żywotność, pojemność i bezpieczeństwo akumulatora. Idealna górna granica napięcia ładowania wynosi 4,2 V. Podczas rozładowywania akumulatorów litowych powinien obowiązywać niższy limit napięcia. Gdy napięcie ogniwa akumulatora spadnie poniżej 2,4 V, niektóre materiały zaczną ulegać uszkodzeniu. Z powodu samorozładowania akumulatora napięcie będzie z czasem spadać. Dlatego najlepiej nie rozładowywać go do 2,4 V przed zatrzymaniem. W okresie rozładowywania od 3,0V do 2,4 V energia uwalniana przez baterie litowe stanowi jedynie około 3% pojemności baterii. Dlatego 3,0V to idealne napięcie odcięcia rozładowania. Podczas ładowania i rozładowywania, oprócz ograniczeń napięcia, konieczne są również ograniczenia prądu. Gdy prąd jest zbyt wysoki, jony litu nie mogą przedostać się do ogniwa magazynującego na czas i będą gromadzić się na powierzchni materiału.
Po uzyskaniu elektronów te jony litu będą wytwarzać kryształy atomów litu na powierzchni materiału, które podobnie jak przeładowanie mogą powodować zagrożenie. Jeśli obudowa akumulatora pęknie, nastąpi eksplozja. Dlatego ochrona akumulatorów litowo-jonowych powinna obejmować co najmniej trzy elementy: górną granicę napięcia ładowania, dolną granicę napięcia rozładowania i górną granicę prądu. W typowym zestawie baterii litowych, oprócz ogniw baterii litowych, znajduje się płyta ochronna, która zapewnia głównie te trzy zabezpieczenia. Jednak te trzy zabezpieczenia płyty ochronnej oczywiście nie wystarczą, a globalne wypadki eksplozji baterii litowych są nadal częste. Aby zapewnić bezpieczeństwo układu akumulatorowego, należy przeprowadzić dokładniejszą analizę przyczyn eksplozji akumulatora.