ലിഥിയം ബാറ്ററിയുടെ സുരക്ഷ

ലിഥിയം ബാറ്ററികൾക്ക് പോർട്ടബിലിറ്റിയുടെയും ഫാസ്റ്റ് ചാർജിംഗിന്റെയും ഗുണങ്ങളുണ്ട്, അതിനാൽ ലെഡ്-ആസിഡ് ബാറ്ററികളും മറ്റ് സെക്കൻഡറി ബാറ്ററികളും ഇപ്പോഴും വിപണിയിൽ പ്രചരിക്കുന്നത് എന്തുകൊണ്ട്?
ചെലവിന്റെയും വ്യത്യസ്ത ആപ്ലിക്കേഷൻ ഫീൽഡുകളുടെയും പ്രശ്നങ്ങൾക്ക് പുറമേ, മറ്റൊരു കാരണം സുരക്ഷയാണ്.
ലോകത്തിലെ ഏറ്റവും സജീവമായ ലോഹമാണ് ലിഥിയം.അതിന്റെ രാസ സ്വഭാവസവിശേഷതകൾ വളരെ സജീവമായതിനാൽ, ലിഥിയം ലോഹം വായുവിൽ തുറന്നുകാട്ടപ്പെടുമ്പോൾ, അതിന് ഓക്സിജനുമായി ഉഗ്രമായ ഓക്സിഡേഷൻ പ്രതികരണമുണ്ടാകും, അതിനാൽ ഇത് സ്ഫോടനം, ജ്വലനം, മറ്റ് പ്രതിഭാസങ്ങൾ എന്നിവയ്ക്ക് സാധ്യതയുണ്ട്.കൂടാതെ, ചാർജ് ചെയ്യുമ്പോഴും ഡിസ്ചാർജ് ചെയ്യുമ്പോഴും ലിഥിയം ബാറ്ററിയ്ക്കുള്ളിൽ റെഡോക്സ് പ്രതികരണവും സംഭവിക്കും.സ്ഫോടനവും സ്വതസിദ്ധമായ ജ്വലനവും പ്രധാനമായും സംഭവിക്കുന്നത് ചൂടാക്കിയ ശേഷം ലിഥിയം ബാറ്ററിയുടെ ശേഖരണം, വ്യാപനം, പുറത്തുവിടൽ എന്നിവയാണ്.ചുരുക്കത്തിൽ, ലിഥിയം ബാറ്ററികൾ ചാർജ് ചെയ്യുമ്പോഴും ഡിസ്ചാർജ് ചെയ്യുമ്പോഴും ധാരാളം താപം സൃഷ്ടിക്കും, ഇത് ബാറ്ററിയുടെ ആന്തരിക താപനിലയും വ്യക്തിഗത ബാറ്ററികൾ തമ്മിലുള്ള അസമമായ താപനിലയും വർദ്ധിപ്പിക്കും, അങ്ങനെ ബാറ്ററിയുടെ അസ്ഥിരമായ പ്രകടനത്തിന് കാരണമാകുന്നു.
തെർമൽ റൺവേ ലിഥിയം-അയൺ ബാറ്ററിയുടെ സുരക്ഷിതമല്ലാത്ത പെരുമാറ്റങ്ങൾ (ബാറ്ററി ഓവർചാർജും ഓവർ ഡിസ്ചാർജും, റാപ്പിഡ് ചാർജും ഡിസ്ചാർജും, ഷോർട്ട് സർക്യൂട്ട്, മെക്കാനിക്കൽ ദുരുപയോഗം അവസ്ഥകൾ, ഉയർന്ന താപനില തെർമൽ ഷോക്ക് മുതലായവ ഉൾപ്പെടെ) ബാറ്ററിക്കുള്ളിൽ അപകടകരമായ പാർശ്വഫലങ്ങൾ ഉണ്ടാക്കാനും ചൂട് സൃഷ്ടിക്കാനും സാധ്യതയുണ്ട്. നെഗറ്റീവ് ഇലക്ട്രോഡിലും പോസിറ്റീവ് ഇലക്ട്രോഡ് പ്രതലത്തിലും നിഷ്ക്രിയ ഫിലിമിനെ നേരിട്ട് നശിപ്പിക്കുന്നു.
ലിഥിയം അയൺ ബാറ്ററികളുടെ തെർമൽ റൺവേ അപകടങ്ങൾ ട്രിഗർ ചെയ്യുന്നതിന് നിരവധി കാരണങ്ങളുണ്ട്.ട്രിഗറിംഗിന്റെ സ്വഭാവസവിശേഷതകൾ അനുസരിച്ച്, മെക്കാനിക്കൽ ദുരുപയോഗം ട്രിഗറിംഗ്, വൈദ്യുത ദുരുപയോഗം ട്രിഗറിംഗ്, താപ ദുരുപയോഗം ട്രിഗറിംഗ് എന്നിങ്ങനെ തിരിക്കാം.മെക്കാനിക്കൽ ദുരുപയോഗം: വാഹന കൂട്ടിയിടി മൂലമുണ്ടാകുന്ന അക്യുപങ്ചർ, എക്സ്ട്രൂഷൻ, കനത്ത വസ്തു ആഘാതം എന്നിവയെ സൂചിപ്പിക്കുന്നു;വൈദ്യുത ദുരുപയോഗം: തെറ്റായ വോൾട്ടേജ് മാനേജ്മെന്റ് അല്ലെങ്കിൽ ഷോർട്ട് സർക്യൂട്ട്, ഓവർചാർജ്, ഓവർ ഡിസ്ചാർജ് എന്നിവയുൾപ്പെടെയുള്ള ഇലക്ട്രിക്കൽ ഘടക പരാജയം മൂലമാണ് സാധാരണയായി സംഭവിക്കുന്നത്;ചൂട് ദുരുപയോഗം: അനുചിതമായ താപനില മാനേജ്മെന്റ് മൂലമുണ്ടാകുന്ന അമിത ചൂടാക്കൽ മൂലമാണ് ഇത് സംഭവിക്കുന്നത്.

ഈ മൂന്ന് ട്രിഗറിംഗ് രീതികൾ പരസ്പരം ബന്ധപ്പെട്ടിരിക്കുന്നു.മെക്കാനിക്കൽ ദുരുപയോഗം സാധാരണയായി ബാറ്ററി ഡയഫ്രം രൂപഭേദം വരുത്തുകയോ പൊട്ടുകയോ ചെയ്യും, ഇത് ബാറ്ററിയുടെ പോസിറ്റീവ്, നെഗറ്റീവ് ധ്രുവങ്ങളും ഷോർട്ട് സർക്യൂട്ടും തമ്മിലുള്ള നേരിട്ടുള്ള സമ്പർക്കത്തിന് കാരണമാകും, ഇത് വൈദ്യുത ദുരുപയോഗത്തിന് കാരണമാകുന്നു;എന്നിരുന്നാലും, വൈദ്യുതി ദുരുപയോഗത്തിന്റെ അവസ്ഥയിൽ, ജൂൾ ഹീറ്റ് പോലുള്ള താപ ഉൽപ്പാദനം വർദ്ധിക്കുന്നു, ഇത് ബാറ്ററി താപനില ഉയരാൻ കാരണമാകുന്നു, ഇത് താപ ദുരുപയോഗമായി വികസിക്കുന്നു, ബാറ്ററിക്കുള്ളിൽ ചെയിൻ തരത്തിലുള്ള ഹീറ്റ് ജനറേഷൻ സൈഡ് റിയാക്ഷനെ കൂടുതൽ ട്രിഗർ ചെയ്യുകയും ഒടുവിൽ സംഭവത്തിലേക്ക് നയിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. ബാറ്ററി ചൂട് റൺവേയുടെ.
ബാറ്ററിയുടെ താപ ഉൽപാദന നിരക്ക് താപ വിസർജ്ജന നിരക്കിനേക്കാൾ വളരെ കൂടുതലാണ് എന്ന വസ്തുതയാണ് ബാറ്ററി തെർമൽ റൺവേയ്ക്ക് കാരണമാകുന്നത്, കൂടാതെ താപം വലിയ അളവിൽ ശേഖരിക്കപ്പെടുകയും എന്നാൽ യഥാസമയം ചിതറിപ്പോകാതിരിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു.സാരാംശത്തിൽ, "താപ റൺവേ" എന്നത് ഒരു പോസിറ്റീവ് എനർജി ഫീഡ്‌ബാക്ക് സൈക്കിൾ പ്രക്രിയയാണ്: ഉയരുന്ന താപനില സിസ്റ്റം ചൂടാകാൻ ഇടയാക്കും, കൂടാതെ സിസ്റ്റം ചൂടായതിനുശേഷം താപനില ഉയരും, ഇത് സിസ്റ്റത്തെ കൂടുതൽ ചൂടുള്ളതാക്കും.
തെർമൽ റൺവേ പ്രക്രിയ: ബാറ്ററിയുടെ ആന്തരിക താപനില ഉയരുമ്പോൾ, SEI ഫിലിമിന്റെ ഉപരിതലത്തിലെ SEI ഫിലിം ഉയർന്ന താപനിലയിൽ വിഘടിക്കുന്നു, ഗ്രാഫൈറ്റിൽ ഉൾച്ചേർത്ത ലിഥിയം അയോൺ ഇലക്ട്രോലൈറ്റും ബൈൻഡറുമായും പ്രതിപ്രവർത്തിക്കുകയും ബാറ്ററി താപനില വർദ്ധിപ്പിക്കുകയും ചെയ്യും. 150 ℃ വരെ, ഈ ഊഷ്മാവിൽ ഒരു പുതിയ അക്രമാസക്തമായ എക്സോതെർമിക് പ്രതികരണം സംഭവിക്കും.ബാറ്ററി താപനില 200 ഡിഗ്രി സെൽഷ്യസിനു മുകളിൽ എത്തുമ്പോൾ, കാഥോഡ് മെറ്റീരിയൽ വിഘടിക്കുകയും വലിയ അളവിൽ താപവും വാതകവും പുറത്തുവിടുകയും ചെയ്യുന്നു, കൂടാതെ ബാറ്ററി കുതിച്ചുയരാൻ തുടങ്ങുകയും തുടർച്ചയായി ചൂടാകുകയും ചെയ്യുന്നു.ലിഥിയം ഉൾച്ചേർത്ത ആനോഡ് ഇലക്‌ട്രോലൈറ്റുമായി 250-350 ℃-ൽ പ്രതിപ്രവർത്തിക്കാൻ തുടങ്ങി.ചാർജ്ജ് ചെയ്ത കാഥോഡ് മെറ്റീരിയൽ അക്രമാസക്തമായ വിഘടിപ്പിക്കൽ പ്രതിപ്രവർത്തനത്തിന് വിധേയമാകാൻ തുടങ്ങുന്നു, ഇലക്ട്രോലൈറ്റ് അക്രമാസക്തമായ ഓക്സിഡേഷൻ പ്രതിപ്രവർത്തനത്തിന് വിധേയമാകുന്നു, വലിയ അളവിൽ താപം പുറത്തുവിടുന്നു, ഉയർന്ന താപനിലയും വലിയ അളവിലുള്ള വാതകവും സൃഷ്ടിക്കുന്നു, ഇത് ബാറ്ററിയുടെ ജ്വലനത്തിനും സ്ഫോടനത്തിനും കാരണമാകുന്നു.
ഓവർചാർജ് സമയത്ത് ലിഥിയം ഡെൻഡ്രൈറ്റ് മഴയുടെ പ്രശ്നം: ലിഥിയം കോബാലേറ്റ് ബാറ്ററി പൂർണ്ണമായി ചാർജ് ചെയ്ത ശേഷം, വലിയ അളവിൽ ലിഥിയം അയോണുകൾ പോസിറ്റീവ് ഇലക്ട്രോഡിൽ നിലനിൽക്കും.അതായത്, കാഥോഡിന് കൂടുതൽ ലിഥിയം അയോണുകൾ കാഥോഡിൽ ഘടിപ്പിക്കാൻ കഴിയില്ല, എന്നാൽ അമിതമായി ചാർജ്ജ് ചെയ്ത അവസ്ഥയിൽ, കാഥോഡിലെ അധിക ലിഥിയം അയോണുകൾ ഇപ്പോഴും കാഥോഡിലേക്ക് നീന്തും.അവ പൂർണ്ണമായി ഉൾക്കൊള്ളാൻ കഴിയാത്തതിനാൽ, കാഥോഡിൽ ലോഹ ലിഥിയം രൂപം കൊള്ളും.ഈ ലോഹം ലിഥിയം ഒരു ഡെൻഡ്രിറ്റിക് ക്രിസ്റ്റൽ ആയതിനാൽ ഇതിനെ ഡെൻഡ്രൈറ്റ് എന്ന് വിളിക്കുന്നു.ഡെൻഡ്രൈറ്റ് വളരെ ദൈർഘ്യമേറിയതാണെങ്കിൽ, ഡയഫ്രം തുളയ്ക്കുന്നത് എളുപ്പമാണ്, ഇത് ആന്തരിക ഷോർട്ട് സർക്യൂട്ടിന് കാരണമാകുന്നു.ഇലക്ട്രോലൈറ്റിന്റെ പ്രധാന ഘടകം കാർബണേറ്റ് ആയതിനാൽ, അതിന്റെ ഇഗ്നിഷൻ പോയിന്റും തിളയ്ക്കുന്ന പോയിന്റും കുറവാണ്, അതിനാൽ ഉയർന്ന താപനിലയിൽ അത് കത്തുകയോ പൊട്ടിത്തെറിക്കുകയോ ചെയ്യും.

ഇത് ഒരു പോളിമർ ലിഥിയം ബാറ്ററിയാണെങ്കിൽ, ഇലക്ട്രോലൈറ്റ് കൊളോയ്ഡൽ ആണ്, ഇത് കൂടുതൽ അക്രമാസക്തമായ ജ്വലനത്തിന് സാധ്യതയുണ്ട്.ഈ പ്രശ്നം പരിഹരിക്കാൻ, ശാസ്ത്രജ്ഞർ സുരക്ഷിതമായ കാഥോഡ് വസ്തുക്കൾ മാറ്റിസ്ഥാപിക്കാൻ ശ്രമിക്കുന്നു.ലിഥിയം മാംഗനേറ്റ് ബാറ്ററിയുടെ മെറ്റീരിയലിന് ചില ഗുണങ്ങളുണ്ട്.പോസിറ്റീവ് ഇലക്‌ട്രോഡിന്റെ ലിഥിയം അയോണിനെ പൂർണ്ണ ചാർജ്ജ് അവസ്ഥയിൽ നെഗറ്റീവ് ഇലക്‌ട്രോഡിന്റെ കാർബൺ ദ്വാരത്തിലേക്ക് പൂർണ്ണമായും ഉൾപ്പെടുത്താൻ കഴിയുമെന്ന് ഇതിന് ഉറപ്പുനൽകുന്നു, പകരം ലിഥിയം കോബാലേറ്റ് പോലുള്ള പോസിറ്റീവ് ഇലക്‌ട്രോഡിൽ ചില അവശിഷ്ടങ്ങൾ ഉണ്ടാകുന്നത് ഒരു പരിധിവരെ ഒഴിവാക്കുന്നു. ഡെൻഡ്രൈറ്റുകൾ.ലിഥിയം മാംഗനേറ്റിന്റെ സ്ഥിരതയുള്ള ഘടന അതിന്റെ ഓക്‌സിഡേഷൻ പ്രകടനത്തെ ലിഥിയം കോബാലേറ്റിനേക്കാൾ വളരെ താഴ്ന്നതാക്കുന്നു.ഒരു ബാഹ്യ ഷോർട്ട് സർക്യൂട്ട് (ആന്തരിക ഷോർട്ട് സർക്യൂട്ട് എന്നതിലുപരി) ഉണ്ടെങ്കിൽപ്പോലും, ലിഥിയം ലോഹത്തിന്റെ അവശിഷ്ടം മൂലമുണ്ടാകുന്ന ജ്വലനവും സ്ഫോടനവും അടിസ്ഥാനപരമായി ഒഴിവാക്കാനാകും.ലിഥിയം ഇരുമ്പ് ഫോസ്ഫേറ്റിന് ഉയർന്ന താപ സ്ഥിരതയും ഇലക്ട്രോലൈറ്റിന്റെ കുറഞ്ഞ ഓക്സീകരണ ശേഷിയും ഉള്ളതിനാൽ ഇതിന് ഉയർന്ന സുരക്ഷയുണ്ട്.
ലിഥിയം അയോൺ ബാറ്ററിയുടെ വാർദ്ധക്യ ശോഷണം കപ്പാസിറ്റി ശോഷണം, ആന്തരിക പ്രതിരോധം വർദ്ധന എന്നിവയാൽ പ്രകടമാണ്, കൂടാതെ അതിന്റെ ആന്തരിക വാർദ്ധക്യ ശോഷണ സംവിധാനത്തിൽ പോസിറ്റീവ്, നെഗറ്റീവ് സജീവ വസ്തുക്കളുടെ നഷ്ടവും ലഭ്യമായ ലിഥിയം അയോണുകളുടെ നഷ്ടവും ഉൾപ്പെടുന്നു.കാഥോഡ് മെറ്റീരിയൽ പഴകിയതും ജീർണിച്ചതും, കാഥോഡിന്റെ ശേഷി അപര്യാപ്തമാകുമ്പോൾ, കാഥോഡിൽ നിന്ന് ലിഥിയം പരിണാമത്തിനുള്ള സാധ്യത കൂടുതലാണ്.ഓവർ ഡിസ്ചാർജ് അവസ്ഥയിൽ, കാഥോഡിലേക്കുള്ള ലിഥിയം സാധ്യത 3V-ന് മുകളിൽ ഉയരും, ഇത് ചെമ്പിന്റെ പിരിച്ചുവിടൽ സാധ്യതയേക്കാൾ കൂടുതലാണ്, ഇത് കോപ്പർ കളക്ടറിന്റെ പിരിച്ചുവിടലിന് കാരണമാകുന്നു.അലിഞ്ഞുചേർന്ന ചെമ്പ് അയോണുകൾ കാഥോഡ് ഉപരിതലത്തിൽ അടിഞ്ഞുകൂടുകയും കോപ്പർ ഡെൻഡ്രൈറ്റുകൾ രൂപപ്പെടുകയും ചെയ്യും.കോപ്പർ ഡെൻഡ്രൈറ്റുകൾ ഡയഫ്രത്തിലൂടെ കടന്നുപോകും, ​​ഇത് ആന്തരിക ഷോർട്ട് സർക്യൂട്ടിന് കാരണമാകുന്നു, ഇത് ബാറ്ററിയുടെ സുരക്ഷാ പ്രകടനത്തെ സാരമായി ബാധിക്കുന്നു.
കൂടാതെ, പ്രായമാകുന്ന ബാറ്ററികളുടെ ഓവർചാർജ് പ്രതിരോധം ഒരു പരിധിവരെ കുറയും, പ്രധാനമായും ആന്തരിക പ്രതിരോധം വർദ്ധിക്കുന്നതും പോസിറ്റീവ്, നെഗറ്റീവ് സജീവ പദാർത്ഥങ്ങളുടെ കുറവും കാരണം, ബാറ്ററികളുടെ അമിത ചാർജ്ജിംഗ് പ്രക്രിയയിൽ ജൂൾ ചൂട് വർദ്ധിക്കുന്നു.കുറഞ്ഞ ഓവർ ചാർജ്ജിംഗിൽ, ബാറ്ററികളുടെ താപ റൺവേയ്ക്ക് കാരണമാകുന്ന, സൈഡ് റിയാക്ഷൻ ട്രിഗർ ചെയ്തേക്കാം.താപ സ്ഥിരതയുടെ കാര്യത്തിൽ, കാഥോഡിൽ നിന്നുള്ള ലിഥിയം പരിണാമം ബാറ്ററിയുടെ താപ സ്ഥിരതയിൽ കുത്തനെ കുറയുന്നതിന് ഇടയാക്കും.
ഒറ്റവാക്കിൽ പറഞ്ഞാൽ, പഴകിയ ബാറ്ററിയുടെ സുരക്ഷാ പ്രകടനം വളരെ കുറയും, ഇത് ബാറ്ററിയുടെ സുരക്ഷയെ ഗുരുതരമായി അപകടത്തിലാക്കും.ബാറ്ററി എനർജി സ്റ്റോറേജ് സിസ്റ്റം ഒരു ബാറ്ററി മാനേജ്മെന്റ് സിസ്റ്റം (ബിഎംഎസ്) ഉപയോഗിച്ച് സജ്ജമാക്കുക എന്നതാണ് ഏറ്റവും സാധാരണമായ പരിഹാരം.ഉദാഹരണത്തിന്, ടെസ്‌ല മോഡൽ എസിൽ ഉപയോഗിച്ചിരിക്കുന്ന 8000 18650 ബാറ്ററികൾക്ക് ബാറ്ററിയുടെ വിവിധ ഫിസിക്കൽ പാരാമീറ്ററുകളുടെ തത്സമയ നിരീക്ഷണം മനസ്സിലാക്കാനും ബാറ്ററി ഉപയോഗ നില വിലയിരുത്താനും അതിന്റെ ബാറ്ററി മാനേജ്‌മെന്റ് സിസ്റ്റം വഴി ഓൺലൈൻ രോഗനിർണയവും മുൻകൂർ മുന്നറിയിപ്പ് നൽകാനും കഴിയും.അതേ സമയം, ഡിസ്ചാർജ്, പ്രീ ചാർജ് കൺട്രോൾ, ബാറ്ററി ബാലൻസ് മാനേജ്മെന്റ്, തെർമൽ മാനേജ്മെന്റ് എന്നിവയും നിർവഹിക്കാൻ ഇതിന് കഴിയും.