Când Sony a introdus prima baterie litiu-ion în 1991, știau de potențialele riscuri de siguranță. O rechemare a bateriei reîncărcabile cu litiu metalice lansate anterior a fost un memento sumbru al disciplinei pe care trebuie să o exercitați atunci când aveți de-a face cu acest sistem de baterii cu densitate mare de energie.
Lucrările de pionierat pentru bateria cu litiu au început în 1912, dar nu a fost decât la începutul anilor 1970 când primele baterii cu litiu nereîncărcabile au devenit disponibile comercial. În anii optzeci au urmat încercările de a dezvolta baterii reîncărcabile cu litiu. Aceste modele timpurii erau bazate pe litiu metalic și ofereau o densitate de energie foarte mare. Cu toate acestea, instabilitățile inerente ale litiului metalic, în special în timpul încărcării, împiedică dezvoltarea. Celula avea potențialul unei evadari termice. Temperatura ar crește rapid până la punctul de topire al litiului metalic și ar provoca o reacție violentă. O cantitate mare de baterii reîncărcabile cu litiu a trebuit să fie rechemat în 1991, după ce pachetul dintr-un telefon mobil a eliberat gaze fierbinți și a provocat arsuri pe fața unui bărbat.
Din cauza instabilității inerente a litiu-metalului, cercetarea s-a mutat către o baterie cu litiu nemetalic folosind ioni de litiu. Deși este puțin mai scăzută ca densitate de energie, sistemul litiu-ion este sigur, cu condiția ca anumite măsuri de precauție să fie respectate la încărcare și descărcare. Astăzi, litiu-ion este una dintre cele mai de succes și mai sigure produse chimice ale bateriilor disponibile. Două miliarde de celule sunt produse în fiecare an.
Celulele cu litiu-ion cu catozi de cobalt rețin de două ori energia unei baterii pe bază de nichel și de patru ori mai mare decât a acidului plumb. Litiu-ion este un sistem de întreținere redusă, un avantaj pe care majoritatea celorlalte chimie nu îl pot pretinde. Nu există memorie și bateria nu necesită cicluri programate pentru a-și prelungi durata de viață. Nici litiu-ionul nu are problema sulfatării acidului plumb care apare atunci când bateria este depozitată fără încărcare periodică. Litiu-ion are o auto-descărcare scăzută și este ecologic. Eliminarea cauzează daune minime.
Durata lungă de funcționare a bateriei a fost întotdeauna dorința multor consumatori. Producătorii de baterii au răspuns împachetând mai mult material activ într-o celulă și făcând electrozii și separatorul mai subțiri. Acest lucru a permis o dublare a densității energetice de când litiu-ionul a fost introdus în 1991.
Densitatea mare de energie are un preț. Metodele de fabricație devin mai critice cu cât celulele devin mai dense. Cu o grosime a separatorului de numai 20-25µm, orice pătrundere mică de particule de praf metalic poate avea consecințe devastatoare. Vor fi necesare măsuri adecvate pentru a atinge standardul de siguranță obligatoriu stabilit de UL 1642. În timp ce un test de penetrare a unghiilor ar putea fi tolerat pe celula mai veche 18650 cu o capacitate de 1,35 Ah, celula de înaltă densitate de 2,4 Ah de astăzi ar deveni o bombă atunci când se execută. acelasi test. UL 1642 nu necesită penetrarea unghiilor. Bateriile cu litiu-ion se apropie de limita lor teoretică de densitate energetică, iar producătorii de baterii încep să se concentreze pe îmbunătățirea metodelor de fabricație și creșterea siguranței.
Rechemarea bateriilor litiu-ion
Odată cu utilizarea ridicată a litiului-ion în telefoanele mobile, camerele digitale și laptopurile, sunt sigur că vor exista probleme. O rată de eșec de unu la-200,000 a declanșat o rechemare a aproape șase milioane de pachete litiu-ion utilizate în laptopurile fabricate de Dell și Apple. Defecțiunile bateriei legate de căldură sunt luate foarte în serios, iar producătorii au ales o abordare conservatoare. Decizia de a înlocui bateriile îi pune pe consumator în largul său și pe avocații la distanță. Să aruncăm o privire acum la ce se află în spatele retragerii.
Sony Energy Devices (Sony), producătorul celulelor cu litiu-ion în cauză, spune că, în rare ocazii, particulele de metal microscopice pot intra în contact cu alte părți ale celulei bateriei, ceea ce duce la un scurtcircuit în interiorul celulei. Deși producătorii de baterii se străduiesc să minimizeze prezența particulelor metalice, tehnicile complexe de asamblare fac ca eliminarea întregului praf metalic să fie aproape imposibilă.
Un scurt scurt va provoca doar o autodescărcare crescută. Se generează puțină căldură deoarece energia de descărcare este foarte scăzută. Dacă totuși, suficiente particule de metal microscopice converg într-un singur loc, se poate dezvolta un scurtcircuit electric major și un curent considerabil va curge între plăcile pozitive și negative. Acest lucru face ca temperatura să crească, ceea ce duce la o evadare termică, denumită și „ventilare cu flacără”.
Celulele litiu-ion cu catozi de cobalt (la fel ca și bateriile de laptop rechemate) nu ar trebui să depășească niciodată 130gradC (265gradF). La 150gradC (302gradF) celula devine instabilă termic, stare care poate duce la o fugă termică în care sunt evacuate gazele în flăcări.
În timpul unei evadari termice, căldura ridicată a celulei care se defectează se poate propaga la următoarea celulă, determinând-o de asemenea să devină instabilă termic. În unele cazuri, are loc o reacție în lanț în care fiecare celulă se dezintegrează la propriul orar. Un pachet poate fi distrus în câteva secunde scurte sau poate rămâne timp de câteva ore, deoarece fiecare celulă este consumată una câte una. Pentru a crește siguranța, pachetele sunt prevăzute cu separatoare pentru a proteja celula defectă de răspândirea la celulele învecinate.
Nivelul de siguranță al sistemelor litiu-ion
Există două tipuri de bază de chimie litiu-ion: cobalt și mangan (spinel). Pentru a atinge durata maximă de funcționare, telefoanele mobile, camerele digitale și laptopurile folosesc litiu-ion pe bază de cobalt. Manganul este cel mai nou dintre cele două substanțe chimice și oferă o stabilitate termică superioară. Poate susține temperaturi de până la 250gradC (482gradF) înainte de a deveni instabil. În plus, manganul are o rezistență internă foarte scăzută și poate furniza un curent ridicat la cerere. Din ce în ce mai mult, aceste baterii sunt folosite pentru scule electrice și dispozitive medicale. Următoarele vor fi vehiculele hibride și electrice.
Dezavantajul spinelului este densitatea energetică mai mică. De obicei, o celulă făcută dintr-un catod pur de mangan oferă doar aproximativ jumătate din capacitatea cobaltului. Utilizatorii de telefoane mobile și laptopuri nu ar fi mulțumiți dacă bateriile lor s-ar opri la jumătatea duratei de funcționare așteptate. Pentru a găsi un compromis viabil între densitatea mare de energie, siguranța operațională și livrarea bună a curentului, producătorii de baterii litiu-ion pot amesteca metalele. Materialele catodice tipice sunt cobaltul, nichelul, manganul și fosfatul de fier.
Permiteți-mi să asigur cititorul că bateriile litiu-ion sunt sigure și că defecțiunile legate de căldură sunt rare. Producătorii de baterii obțin această fiabilitate ridicată prin adăugarea a trei straturi de protecție. Acestea sunt: [1] limitarea cantității de material activ pentru a obține un echilibru operabil al densității energetice și siguranței; [2] includerea diferitelor mecanisme de siguranță în interiorul celulei; și [3] adăugarea unui circuit electronic de protecție în acumulatorul.
Aceste dispozitive de protecție funcționează în următoarele moduri: Dispozitivul PTC încorporat în celulă acționează ca o protecție pentru a inhiba supratensiunile mari de curent; dispozitivul de întrerupere a circuitului (CID) deschide calea electrică dacă o tensiune de încărcare excesiv de mare crește presiunea internă a celulei la 10 bar (150 psi); iar orificiul de ventilație de siguranță permite o eliberare controlată a gazului în cazul creșterii rapide a presiunii celulei. În plus față de garanțiile mecanice, circuitul electronic de protecție extern celulelor deschide un comutator în stare solidă dacă tensiunea de încărcare a oricărei celule ajunge la 4,30V. O siguranță întrerupe fluxul de curent dacă temperatura pielii celulei se apropie de 90gradC (194gradF). Pentru a preveni supra-descărcarea bateriei, circuitul de control întrerupe calea curentului la aproximativ 2,50 V/celulă. În unele aplicații, siguranța inerentă mai mare a sistemului spinel permite excluderea circuitului electric. Într-un astfel de caz, bateria se bazează în totalitate pe dispozitivele de protecție care sunt încorporate în celulă.
Trebuie să ținem cont de faptul că aceste măsuri de siguranță sunt eficiente doar dacă modul de funcționare vine din exterior, cum ar fi un scurtcircuit electric sau un încărcător defect. În circumstanțe normale, o baterie litiu-ion se va opri pur și simplu atunci când are loc un scurtcircuit. Dacă, totuși, un defect este inerent celulei electrochimice, cum ar fi contaminarea cauzată de particule de metal microscopice, această anomalie va rămâne nedetectată. Nici circuitul de siguranță nu poate opri dezintegrarea odată ce celula este în modul de evaporare termică. Nimic nu o poate opri odată declanșată.
Ce ar trebui să știe fiecare utilizator de baterie
O preocupare majoră apare dacă electricitatea statică sau un încărcător defect au distrus circuitul de protecție al bateriei. O astfel de deteriorare poate fuziona permanent comutatoarele cu stare solidă într-o poziție ON, fără ca utilizatorul să știe. O baterie cu un circuit de protecție defect poate funcționa normal, dar nu oferă protecție împotriva abuzului.
O altă problemă de siguranță este încărcarea la temperatură rece. Bateriile litiu-ion pentru consumator nu pot fi încărcate sub 0gradC (32gradF). Deși pachetele par să se încarce în mod normal, placarea cu litiu metalic are loc pe anod în timpul unei încărcări sub îngheț. Placa este permanentă și nu poate fi îndepărtată. Dacă este făcută în mod repetat, o astfel de deteriorare poate compromite siguranța pachetului. Bateria va deveni mai vulnerabilă la defecțiuni dacă este supusă la impact, zdrobire sau încărcare cu viteză mare.
Asia produce multe baterii de înlocuire fără marcă care sunt populare printre utilizatorii de telefoane mobile din cauza prețului scăzut. Multe dintre aceste baterii nu oferă același standard ridicat de siguranță ca echivalentul principal al mărcii. Un cumpărător înțelept cheltuiește puțin mai mult și înlocuiește bateria cu un model aprobat.
Pentru a preveni infiltrarea pachetelor nesigure de pe piață, majoritatea producătorilor vând celule litiu-ion numai montatorilor aprobați de pachete de baterii. Includerea unui circuit de siguranță aprobat face parte din cerința de achiziție. Acest lucru face dificil pentru un pasionat să achiziționeze celule unice cu litiu-ion de la raft într-un magazin. Pasionatul nu va avea altă opțiune decât să revină la bateriile pe bază de nichel.
Măsura de siguranță este esențială în special pentru bateriile mai mari, cum ar fi pachetele de laptop. Pericolul este mult mai mare decât pe o baterie mică de telefon mobil dacă ceva nu merge bine. Din acest motiv, mulți producători de laptop-uri își asigură bateriile cu un cod secret pe care doar computerul potrivit îl poate accesa. Acest lucru împiedică bateriile fără nume de marcă să inunde piața. Dezavantajul este un preț mai mare pentru bateria de schimb.
Având în vedere numărul de baterii litiu-ion folosite pe piață, acest sistem de stocare a energiei a provocat puține daune în ceea ce privește daunele și vătămările personale. În ciuda rezultatelor bune, siguranța sa este un subiect fierbinte care atrage o atenție mare a presei, chiar și la un accident minor. Această precauție este bună pentru consumator, deoarece vom fi asigurați că acest dispozitiv popular de stocare a energiei este sigur. După rechemarea bateriilor de laptop Dell și Apple, producătorii de celule nu numai că vor încerca să introducă mai multă energie în pachet, dar vor încerca să-l facă mai rezistent la gloanț.