Análise das causas de protuberância e explosão de baterias de lítio
May 16, 2025Análise das causas de protuberância e explosão de baterias de lítio
O princípio de funcionamento das baterias de íons de lítio
O lítio é o menor e mais ativo metal da tabela periódica química. É popular entre consumidores e engenheiros devido ao seu pequeno tamanho e alta densidade de capacidade. No entanto, suas propriedades químicas são muito ativas, o que traz um perigo extremamente alto. Quando o lítio metálico é exposto ao ar, ele produz uma violenta reação de oxidação com oxigênio e explode. Para melhorar a segurança e a voltagem, os cientistas inventaram materiais como grafite e óxido de cobalto e lítio para armazenar átomos de lítio. A estrutura molecular desses materiais forma minúsculas grades de armazenamento em nanoescala que podem ser usadas para armazenar átomos de lítio. Dessa forma, mesmo que o invólucro da bateria seja rompido e o oxigênio entre, as moléculas de oxigênio são grandes demais para entrar nessas minúsculas grades de armazenamento, de modo que os átomos de lítio não entrarão em contato com o oxigênio e evitarão a explosão. Este princípio das baterias de íons de lítio permite que as pessoas alcancem a segurança enquanto obtêm sua alta densidade de capacidade.
O lítio é o menor e mais ativo metal da tabela periódica química. É popular entre consumidores e engenheiros devido ao seu pequeno tamanho e alta densidade de capacidade. No entanto, suas propriedades químicas são muito ativas, o que traz um perigo extremamente alto. Quando o lítio metálico é exposto ao ar, ele produz uma violenta reação de oxidação com oxigênio e explode. Para melhorar a segurança e a voltagem, os cientistas inventaram materiais como grafite e óxido de cobalto e lítio para armazenar átomos de lítio. A estrutura molecular desses materiais forma minúsculas grades de armazenamento em nanoescala que podem ser usadas para armazenar átomos de lítio. Dessa forma, mesmo que o invólucro da bateria seja rompido e o oxigênio entre, as moléculas de oxigênio são grandes demais para entrar nessas minúsculas grades de armazenamento, de modo que os átomos de lítio não entrarão em contato com o oxigênio e evitarão a explosão. Este princípio das baterias de íons de lítio permite que as pessoas alcancem a segurança enquanto obtêm sua alta densidade de capacidade.
Quando uma bateria de íons de lítio é carregada, os átomos de lítio no eletrodo positivo perdem elétrons e se oxidam em íons de lítio. Os íons de lítio viajam para o eletrodo negativo através do eletrólito, entram na célula de armazenamento do eletrodo negativo e obtêm um elétron para serem reduzidos a átomos de lítio. Durante a descarga, todo o processo é invertido. Para evitar que os eletrodos positivo e negativo da bateria se toquem diretamente e entrem em curto-circuito, um diafragma de papel com muitos poros é adicionado à bateria para evitar curto-circuitos. Um bom diafragma de papel também pode fechar automaticamente os poros quando a temperatura da bateria estiver muito alta, impedindo a passagem de íons de lítio, evitando perigos.
Quando a célula da bateria de lítio é sobrecarregada a uma tensão superior a 4,2 V, os efeitos colaterais começam a ocorrer. Quanto maior a tensão de sobrecarga, maior o perigo. Quando a tensão da célula da bateria de lítio é superior a 4,2 V, o número de átomos de lítio restantes no material do eletrodo positivo é menos da metade, e a célula de armazenamento frequentemente colapsa neste momento, causando uma diminuição permanente na capacidade da bateria. Se o carregamento continuar, como a célula de armazenamento do eletrodo negativo já está cheia de átomos de lítio, o metal de lítio subsequente se acumulará na superfície do material do eletrodo negativo. Esses átomos de lítio desenvolverão dendritos da superfície do eletrodo negativo em direção aos íons de lítio. Esses cristais de metal de lítio passarão pelo papel do diafragma, causando um curto-circuito nos eletrodos positivo e negativo. Às vezes, a bateria explode antes que o curto-circuito ocorra. Isso ocorre porque, durante o processo de sobrecarga, o eletrólito e outros materiais se decompõem e produzem gás, causando o inchaço e a ruptura do invólucro da bateria ou da válvula de pressão, permitindo a entrada de oxigênio que reage com os átomos de lítio acumulados na superfície do eletrodo negativo, causando a explosão. Portanto, ao carregar baterias de lítio, é necessário definir um limite máximo de tensão para levar em consideração a vida útil, a capacidade e a segurança da bateria. O limite máximo ideal para a tensão de carga é de 4,2 V.
Há também um limite de tensão mais baixo ao descarregar baterias de lítio. Quando a tensão da bateria é inferior a 2,4 V, alguns materiais começam a ser danificados. Como a bateria se autodescarrega, quanto mais tempo ela permanecer descarregada, menor será a tensão. Portanto, é melhor não interromper a descarga em 2,4 V. Durante o período em que a bateria de lítio é descarregada de 3,0 V para 2,4 V, a energia liberada representa apenas cerca de 3% da capacidade da bateria. Portanto, 3,0 V é uma tensão de corte de descarga ideal.
Ao carregar e descarregar, além da limitação de tensão, a limitação de corrente também é necessária. Quando a corrente é muito alta, os íons de lítio não têm tempo de entrar na célula de armazenamento e se acumulam na superfície do material. Após esses íons de lítio obterem elétrons, os átomos de lítio se cristalizam na superfície do material, o que é tão perigoso quanto a sobrecarga. Se a carcaça da bateria quebrar, ela explodirá.
Portanto, a proteção das baterias de íons de lítio deve incluir pelo menos: limite superior da tensão de carga, limite inferior da tensão de descarga e limite superior da corrente.
Em geral, além da célula da bateria de lítio, haverá uma placa de proteção no conjunto da bateria de lítio, que fornece principalmente essas três proteções. No entanto, essas três proteções da placa de proteção obviamente não são suficientes, e explosões de baterias de lítio ainda são frequentes em todo o mundo. Para garantir a segurança do sistema de bateria, é necessária uma análise mais cuidadosa das causas das explosões de baterias.
Os tipos de explosão no núcleo da bateria podem ser resumidos como curto-circuitos externos, curto-circuitos internos e sobrecarga. O externo aqui se refere à parte externa da célula da bateria, incluindo curtos-circuitos causados por um projeto de isolamento inadequado dentro do conjunto da bateria.
Quando ocorre um curto-circuito fora da célula da bateria e os componentes eletrônicos não conseguem interromper o circuito, um alto calor é gerado dentro da célula, fazendo com que parte do eletrólito vaporize e expanda o invólucro da bateria. Quando a temperatura dentro da bateria atinge 135 graus Celsius, um diafragma de papel de boa qualidade fecha os poros, a reação eletroquímica cessa ou quase cessa, a corrente cai drasticamente e a temperatura cai lentamente, evitando assim a explosão. No entanto, se a taxa de fechamento dos poros for muito baixa ou os poros do diafragma de papel não estiverem fechados, a temperatura da bateria continuará a subir, mais eletrólito vaporizará e, finalmente, o invólucro da bateria se romperá, e até mesmo a temperatura da bateria aumentará a ponto de o material queimar e explodir.
Curtos-circuitos internos são causados principalmente por rebarbas em folhas de cobre e alumínio que penetram no diafragma, ou por dendritos de átomos de lítio que penetram no diafragma. Esses minúsculos metais em forma de agulha causam microcurtos-circuitos. Como as agulhas são muito finas e têm um certo valor de resistência, a corrente pode não ser muito alta. As rebarbas em folhas de cobre e alumínio são causadas durante o processo de produção. O fenômeno observável é que a bateria vaza muito rápido, e a maioria deles pode ser filtrada pela fábrica de células de bateria ou pela montadora. Além disso, como as rebarbas são pequenas, elas podem ser queimadas às vezes, para que a bateria volte ao normal. Portanto, a probabilidade de explosão causada por microcurto-circuito de rebarba não é alta.
Esta afirmação pode ser estatisticamente corroborada pelo fato de que muitas vezes há baterias ruins com baixa voltagem logo após o carregamento em cada fábrica de baterias, mas há poucas explosões. Portanto, a explosão causada por curto-circuito interno é causada principalmente por sobrecarga. Como após a sobrecarga, o eletrodo fica cheio de cristais de lítio metálico em forma de agulha, pontos de perfuração estão por toda parte e microcurtos-circuitos ocorrem em todos os lugares. Portanto, a temperatura da bateria aumentará gradualmente e, finalmente, a alta temperatura gaseificará o eletrólito. Nesse caso, se a temperatura for muito alta para causar a queima e explosão do material, ou se a carcaça for quebrada primeiro, permitindo a entrada de ar e a oxidação violenta com o lítio metálico, isso resultará em explosão.
No entanto, essa explosão causada por curto-circuito interno causado por sobrecarga não ocorre necessariamente no momento do carregamento. É possível que a temperatura da bateria não seja alta o suficiente para causar a queima do material, e o gás gerado não seja suficiente para romper a carcaça da bateria, e o consumidor interrompa o carregamento e retire o celular. Nesse momento, o calor gerado por vários microcurtos-circuitos eleva lentamente a temperatura da bateria e, após um período, ocorre a explosão. Os consumidores frequentemente relatam que sentem seus celulares muito quentes ao pegá-los e que eles explodem após jogá-los fora.
Com base nos tipos de explosão acima, podemos nos concentrar em três aspectos da prevenção de explosões: prevenção de sobrecarga, prevenção de curto-circuito externo e melhoria da segurança das células da bateria. Entre eles, a prevenção de sobrecarga e a prevenção de curto-circuito externo pertencem à proteção eletrônica, que está intimamente relacionada ao projeto e à montagem do sistema da bateria. A chave para melhorar a segurança das células da bateria é a proteção química e mecânica, que está intimamente relacionada aos fabricantes de células da bateria.
Como existem centenas de milhões de celulares no mundo, para garantir a segurança, a taxa de falhas da proteção de segurança deve ser inferior a um em 100 milhões. A taxa de falhas das placas de circuito é geralmente muito superior a um em 100 milhões. Portanto, ao projetar um sistema de bateria, deve haver mais de duas linhas de defesa de segurança. Um erro comum de projeto é usar um carregador (adaptador) para carregar diretamente a bateria. Dessa forma, a responsabilidade pela proteção contra sobrecarga é totalmente transferida para a placa de proteção da bateria. Embora a taxa de falhas da placa de proteção não seja alta, mesmo que seja tão baixa quanto um em um milhão, ainda há a chance de que acidentes com explosão ocorram todos os dias em todo o mundo.
Se o sistema de bateria puder fornecer duas proteções de segurança para sobrecarga, descarga excessiva e sobrecorrente, respectivamente, se a taxa de falha de cada proteção for de uma em dez mil, as duas proteções podem reduzir a taxa de falha para uma em 100 milhões. O diagrama de blocos de um sistema de carregamento de bateria comum é o seguinte, que inclui duas partes principais: o carregador e a bateria. O carregador também inclui duas partes: o adaptador (adaptador) e o controlador de carregamento. O adaptador converte energia CA em energia CC, e o controlador de carregamento limita a corrente máxima e a tensão máxima da energia CC. A bateria consiste em duas partes: a placa de proteção e a célula da bateria, bem como um PTC para limitar a corrente máxima.
Tomando como exemplo o sistema de bateria de celular, o sistema de proteção contra sobrecarga utiliza a tensão de saída do carregador definida em cerca de 4,2 V para atingir o primeiro nível de proteção. Dessa forma, mesmo que a placa de proteção da bateria falhe, a bateria não ficará sobrecarregada e perigosa. A segunda linha de proteção é a função de proteção contra sobrecarga na placa de proteção, que geralmente é definida para 4,3 V. Dessa forma, a placa de proteção não precisa ser responsável por cortar a corrente de carga. Ela só precisa atuar quando a tensão do carregador estiver anormalmente alta. A proteção contra sobrecorrente é de responsabilidade da placa de proteção e do limitador de corrente, que também são duas linhas de proteção para evitar sobrecorrente e curto-circuito externo. Uma vez que a descarga excessiva ocorre apenas durante o uso de produtos eletrônicos. Portanto, o projeto geral é que a placa de circuito do produto eletrônico forneça a primeira proteção, e a placa de proteção da bateria forneça a segunda proteção. Quando o produto eletrônico detecta que a tensão da fonte de alimentação está abaixo de 3,0 V, ele deve desligar automaticamente. Se esta função não for projetada quando o produto for projetado, a placa de proteção fechará o circuito de descarga quando a tensão estiver tão baixa quanto 2,4 V.
Em suma, ao projetar um sistema de bateria, duas proteções eletrônicas devem ser previstas para sobrecarga, descarga excessiva e sobrecorrente. A placa de proteção é a segunda proteção. Se a bateria explodir quando a placa de proteção for removida, significa que o projeto é ruim.
Embora o método acima ofereça duas proteções, os consumidores frequentemente compram carregadores não originais para carregar após a falha do carregador, e os fabricantes de carregadores frequentemente removem o controlador de carregamento para reduzir custos com base em considerações de custo. Como resultado, o dinheiro ruim expulsa o dinheiro bom, e muitos carregadores de baixa qualidade aparecem no mercado. Isso faz com que a proteção contra sobrecarga perca a primeira e mais importante linha de defesa. A sobrecarga é o fator mais importante que causa explosões de baterias, portanto, carregadores de baixa qualidade podem ser considerados os culpados por explosões de baterias.
É claro que nem todos os sistemas de bateria utilizam a solução mostrada na figura acima. Em alguns casos, a bateria também possui um controlador de carga. Por exemplo, muitos bastões de bateria externa para notebooks possuem um controlador de carga. Isso ocorre porque os notebooks geralmente possuem o controlador de carga integrado e fornecem aos consumidores apenas um adaptador. Portanto, a bateria externa de um notebook deve possuir um controlador de carga para garantir a segurança da bateria externa ao carregar com um adaptador. Além disso, produtos que utilizam o acendedor de cigarros do carro para carregar às vezes possuem o controlador de carga integrado à bateria.
Se todas as medidas de proteção eletrônica falharem, a última linha de defesa será fornecida pela célula da bateria. O nível de segurança da célula da bateria pode ser dividido em níveis com base na sua capacidade de sobreviver a curtos-circuitos e sobrecargas externas. Isso porque, antes da explosão da bateria, se átomos de lítio se acumularem na superfície do material interno, a explosão será mais potente. Além disso, a proteção contra sobrecarga geralmente fica com apenas uma linha de defesa, pois os consumidores utilizam carregadores de qualidade inferior. Portanto, a capacidade da célula da bateria de resistir à sobrecarga é mais importante do que sua capacidade de resistir a curtos-circuitos externos.
Comparando a segurança das baterias com revestimento de alumínio com as baterias com revestimento de aço, as de revestimento de alumínio têm uma vantagem de segurança maior do que as de revestimento de aço.
Acey Inteligente é especializada em pesquisa e fabricação de equipamentos de alta qualidade para baterias de íons de lítio. Nosso negócio abrange:
Caso tenha alguma dúvida sobre materiais e equipamentos para baterias de lítio, entre em contato conosco. Estamos sempre prontos para fornecer orientação técnica profissional e soluções completas.
© 2025 Acey tecnologia limitada Todos os direitos reservados.
