I. อันตรายจากแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเป็นแหล่งพลังงานเคมีที่อาจเป็นอันตราย เนื่องจากมีลักษณะทางเคมีและองค์ประกอบของระบบ

(1)กิจกรรมทางเคมีสูง
ลิเธียมเป็นองค์ประกอบกลุ่มหลักของรอบที่สองของตารางธาตุ ซึ่งมีคุณสมบัติทางเคมีที่ว่องไวมาก

(2)ความหนาแน่นของพลังงานสูง
พลังงานเฉพาะของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสูงมาก (≥ 140Wh/กก.) ซึ่งสูงกว่าแบตเตอรี่ Ni-CD, Ni-MH และแบตเตอรี่สำรองอื่นๆ หลายเท่า หากเกิดปฏิกิริยาหนีความร้อน จะทำให้เกิดความร้อนสูงและนำไปสู่พฤติกรรมที่ไม่ปลอดภัยได้ง่าย

(3) ใช้ระบบอิเล็กโทรไลต์อินทรีย์
ตัวทำละลายอินทรีย์ของระบบอิเล็กโทรไลต์อินทรีย์คือไฮโดรคาร์บอน แรงดันการสลายตัวต่ำ ออกซิไดซ์ได้ง่าย และตัวทำละลายไวไฟ หากเกิดการรั่วไหล จะทำให้แบตเตอรี่ลุกไหม้ ไหม้และระเบิดได้

(4)ความน่าจะเป็นของปฏิกิริยาข้างเคียงสูง
ในระหว่างการใช้งานแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนตามปกติ จะมีปฏิกิริยาเคมีเชิงบวกระหว่างพลังงานไฟฟ้าและพลังงานเคมี อย่างไรก็ตาม ภายใต้สภาวะบางอย่าง เช่น การชาร์จมากเกินไป การคายประจุมากเกินไป หรือการทำงานที่มีกระแสไฟฟ้าเกิน จะทำให้เกิดปฏิกิริยาด้านเคมีภายในแบตเตอรี่ได้ง่าย หลังจากปฏิกิริยาด้านข้างรุนแรงขึ้น จะส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพและอายุการใช้งานของแบตเตอรี่อย่างจริงจัง และอาจผลิตก๊าซจำนวนมาก ซึ่งจะนำไปสู่ปัญหาด้านความปลอดภัยที่เกิดจากการระเบิดและไฟไหม้หลังจากแรงดันภายในแบตเตอรี่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว .

(5)โครงสร้างของวัสดุอิเล็กโทรดไม่เสถียร

ปฏิกิริยาการอัดประจุมากเกินไปของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจะเปลี่ยนโครงสร้างของวัสดุแคโทด และทำให้วัสดุมีผลออกซิเดชันที่รุนแรง ดังนั้นตัวทำละลายในอิเล็กโทรไลต์จะถูกออกซิไดซ์อย่างรุนแรง และผลกระทบนี้ไม่สามารถย้อนกลับได้ หากความร้อนที่เกิดจากปฏิกิริยาสะสม มีความเสี่ยงที่จะเกิดความร้อนสะสม

ครั้งที่สอง ทำให้เกิดการวิเคราะห์ปัญหาด้านความปลอดภัยของผลิตภัณฑ์แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน
หลังจาก 30 ปีของการพัฒนาอุตสาหกรรม เทคโนโลยีความปลอดภัยของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีความก้าวหน้าอย่างมาก ซึ่งควบคุมการเกิดปฏิกิริยาข้างเคียงในแบตเตอรี่ได้อย่างมีประสิทธิภาพและรับประกันความปลอดภัยของแบตเตอรี่ อย่างไรก็ตาม ด้วยการใช้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนอย่างกว้างขวางมากขึ้นและความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้น ยังคงมีเหตุการณ์ซ้ำๆ เช่น การบาดเจ็บจากการระเบิดหรือการเรียกคืนผลิตภัณฑ์เนื่องจากความเสี่ยงด้านความปลอดภัยในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เราสรุปสาเหตุหลักของปัญหาความปลอดภัยของผลิตภัณฑ์แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้ดังนี้

(1)ปัญหาของวัสดุเซลล์
วัสดุที่ใช้ในแบตเตอรี่ประกอบด้วย: วัสดุออกฤทธิ์เป็นบวก, วัสดุออกฤทธิ์เป็นลบ, ไดอะแฟรม, อิเล็กโทรไลต์และเปลือก ฯลฯ ประสิทธิภาพด้านความปลอดภัยของเซลล์จะพิจารณาจากการเลือกวัสดุและการจับคู่ของระบบ ในการเลือกวัสดุแอกทีฟที่เป็นบวกและลบและวัสดุไดอะแฟรม ผู้ผลิตไม่ได้ประเมินคุณลักษณะและการจับคู่ของวัตถุดิบ ส่งผลให้เกิดข้อบกพร่องด้านความปลอดภัยของแกนแต่กำเนิด

(2)ปัญหากระบวนการผลิต.
การตรวจสอบวัตถุดิบของเซลล์ที่หละหลวมและสภาพแวดล้อมการผลิตที่ไม่ดีทำให้เกิดการปะปนของสิ่งเจือปนในการผลิต ซึ่งไม่เพียงส่งผลเสียต่อความจุของแบตเตอรี่เท่านั้น แต่ยังส่งผลกระทบอย่างมากต่อความปลอดภัยของแบตเตอรี่อีกด้วย นอกจากนี้ หากมีน้ำผสมอยู่ในอิเล็กโทรไลต์มากเกินไป อาจเกิดปฏิกิริยาข้างเคียงขึ้นเพื่อเพิ่มแรงดันภายในแบตเตอรี่ ซึ่งจะส่งผลต่อความปลอดภัย เนื่องจากข้อจำกัดของกระบวนการผลิต ผลิตภัณฑ์ไม่สามารถบรรลุความสอดคล้องที่ดีในกระบวนการผลิตของอิเล็กโทรด ตัวอย่างเช่น ความเรียบต่ำของเมทริกซ์อิเล็กโทรด การไหลออกของวัสดุที่ใช้งานของอิเล็กโทรด การผสมของสิ่งสกปรกอื่นๆ ในวัสดุที่ใช้งาน อุณหภูมิการเชื่อมที่ไม่เสถียร เสี้ยนบนขอบของอิเล็กโทรด และการไม่ใช้เทปฉนวนในส่วนสำคัญอาจส่งผลเสียต่อ ความปลอดภัยของแกน

(3) ข้อบกพร่องในการออกแบบแบตเตอรี่ ประสิทธิภาพความปลอดภัยลดลง
ในการออกแบบโครงสร้าง ผู้ผลิตไม่ให้ความสนใจกับประเด็นสำคัญหลายประการที่ส่งผลต่อความปลอดภัย เช่น ไม่มีเทปฉนวนในส่วนสำคัญ ไม่มีระยะขอบหรือระยะขอบไม่เพียงพอในการออกแบบไดอะแฟรม การออกแบบอัตราส่วนความจุอิเล็กโทรดขั้วบวกและลบที่ไม่สมเหตุสมผล การออกแบบขั้วบวกที่ไม่สมเหตุสมผล และอัตราส่วนพื้นที่วัสดุที่ใช้งานติดลบ การออกแบบความยาวของหูเสาที่ไม่สมเหตุสมผล ฯลฯ ทั้งหมดนี้อาจแฝงอันตรายที่ซ่อนอยู่ต่อความปลอดภัยของแบตเตอรี่ นอกจากนี้ ในกระบวนการผลิตเซลล์ ผู้ผลิตแบตเตอรี่บางรายพยายามประหยัดและบีบอัดวัตถุดิบเพื่อประหยัดต้นทุนและปรับปรุงประสิทธิภาพ เช่น การลดพื้นที่ไดอะแฟรม ฟอยล์ทองแดงบางลง ฟอยล์อลูมิเนียมและไม่ใช้วาล์วระบายแรงดัน เทปฉนวน และอื่น ๆ ทั้งหมดนี้จะทำให้ความปลอดภัยของแบตเตอรี่ลดลง

(4)ความหนาแน่นของพลังงานสูงเกินไป
ในปัจจุบัน ตลาดกำลังแสวงหาผลิตภัณฑ์แบตเตอรี่ความจุสูง ผู้ผลิตเพื่อเพิ่มขีดความสามารถในการแข่งขันของผลิตภัณฑ์ ดำเนินการปรับปรุงปริมาณพลังงานเฉพาะของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ซึ่งเพิ่มความเสี่ยงของแบตเตอรี่อย่างมาก

สาม. เทคโนโลยีความปลอดภัย
แม้ว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจะมีอันตรายแอบแฝงอยู่มากมาย แต่ภายใต้เงื่อนไขการใช้งานเฉพาะ และการนำมาตรการบางอย่างมาใช้จะสามารถควบคุมการเกิดปฏิกิริยาข้างเคียงและปฏิกิริยารุนแรงในเซลล์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ และรับประกันการใช้งานอย่างปลอดภัย ข้อมูลต่อไปนี้เป็นข้อมูลแนะนำสั้นๆ เกี่ยวกับเทคโนโลยีความปลอดภัยต่างๆ ที่ใช้กันทั่วไปสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

1> เลือกวัตถุดิบที่มีปัจจัยด้านความปลอดภัยที่สูงขึ้น
เลือกวัสดุแอกทีฟที่เป็นบวกและลบ วัสดุไดอะแฟรม และอิเล็กโทรไลต์ที่มีค่าความปลอดภัยสูงกว่า
A) การเลือกวัสดุแคโทด
ความปลอดภัยของวัสดุแคโทดขึ้นอยู่กับสามด้านต่อไปนี้เป็นหลัก:
(1)ความเสถียรทางอุณหพลศาสตร์ของวัสดุ
(2)ความเสถียรทางเคมีของวัสดุ
(3) คุณสมบัติทางกายภาพของวัสดุ

B) การเลือกวัสดุไดอะแฟรม
หน้าที่หลักของไดอะแฟรมคือการแยกขั้วบวกและขั้วลบของแบตเตอรี่ ป้องกันไม่ให้ขั้วบวกและขั้วลบสัมผัสกันและลัดวงจร และมีความสามารถในการทำให้อิเล็กโทรไลต์ไอออนผ่านได้ นั่นคือ ฉนวนไฟฟ้าและการนำไฟฟ้าของไอออน . ควรให้ความสนใจกับประเด็นต่อไปนี้เมื่อเลือกไดอะแฟรมสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน:
(1)มีฉนวนไฟฟ้าเพื่อให้แน่ใจว่ามีการแยกเชิงกลของขั้วบวกและขั้วลบ
(2)มีเส้นผ่านศูนย์กลางรูพรุนและความพรุนที่แน่นอนเพื่อให้แน่ใจว่ามีความต้านทานต่ำและมีค่าการนำไฟฟ้าไอออนิกสูง
(3)วัสดุไดอะแฟรมมีความเสถียรทางเคมีเพียงพอและต้องทนทานต่อการกัดกร่อนของอิเล็กโทรไลต์
(4) ไดอะแฟรมควรมีฟังก์ชั่นป้องกันการปิดอัตโนมัติ
(5) การหดตัวเนื่องจากความร้อนและการเสียรูปของไดอะแฟรมควรมีขนาดเล็กที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้
(6)ไดอะแฟรมควรมีความหนาบาง
(7) ไดอะแฟรมควรมีความแข็งแรงทางกายภาพที่แข็งแกร่งและมีความสามารถในการป้องกันการเจาะทะลุได้ดีพอ

C) การเลือกอิเล็กโทรไลต์
อิเล็กโทรไลต์เป็นส่วนสำคัญของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ซึ่งส่งและนำกระแสไฟฟ้าระหว่างขั้วบวกและขั้วลบของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน อิเล็กโทรไลต์ที่ใช้ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเป็นสารละลายอิเล็กโทรไลต์ที่เกิดขึ้นจากการละลายเกลือลิเธียมที่เหมาะสมในตัวทำละลายผสมอินทรีย์ที่ไม่ใช่โปรตอน โดยปกติแล้วควรเป็นไปตามข้อกำหนดต่อไปนี้:
(1)ความเสถียรทางเคมีที่ดี ไม่มีปฏิกิริยาทางเคมีกับวัสดุที่ใช้งานของอิเล็กโทรด ตัวเก็บกระแสไฟ และไดอะแฟรม
(2)ความเสถียรทางเคมีไฟฟ้าที่ดีและหน้าต่างไฟฟ้าเคมีที่กว้าง
(3) การนำลิเธียมไอออนสูงและการนำไฟฟ้าต่ำ
(4)อุณหภูมิของเหลวที่หลากหลาย
(5) ปลอดภัย ปลอดสารพิษ และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

เสริมสร้างการออกแบบความปลอดภัยโดยรวมของเซลล์
แบตเตอรี่เป็นตัวเชื่อมที่รวมวัสดุทุกชนิดของแบตเตอรี่เข้าด้วยกัน และเป็นการรวมขั้วไฟฟ้าขั้วบวก ขั้วลบ ไดอะแฟรม หูขั้วไฟฟ้า และฟิล์มบรรจุภัณฑ์ และอื่นๆ การออกแบบโครงสร้างของแบตเตอรี่ไม่เพียงแต่ส่งผลต่อประสิทธิภาพของวัสดุต่างๆ เท่านั้น แต่ยังส่งผลกระทบที่สำคัญต่อประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าโดยรวมและประสิทธิภาพด้านความปลอดภัยของแบตเตอรี่อีกด้วย การเลือกใช้วัสดุและการออกแบบโครงสร้างเซลล์เป็นความสัมพันธ์ระหว่างส่วนและทั้งหมด ในการออกแบบแบตเตอรี่ ควรกำหนดโหมดโครงสร้างที่เหมาะสมตามลักษณะของวัสดุ

นอกจากนี้ยังสามารถพิจารณาอุปกรณ์ป้องกันเพิ่มเติมบางอย่างในโครงสร้างของแบตเตอรี่ลิเธียม การออกแบบกลไกการป้องกันทั่วไปมีดังนี้ 1 ใช้ส่วนประกอบสวิตช์ และความต้านทานจะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิในแบตเตอรี่สูงขึ้น และเมื่ออุณหภูมิสูงเกินไป แหล่งจ่ายไฟจะหยุดทำงานโดยอัตโนมัติ (2) ติดตั้งวาล์วนิรภัย (นั่นคือช่องระบายอากาศที่ด้านบนของแบตเตอรี่) เมื่อแรงดันภายในแบตเตอรี่เพิ่มขึ้นถึงค่าหนึ่ง วาล์วนิรภัยจะเปิดโดยอัตโนมัติเพื่อความปลอดภัยของแบตเตอรี่

ต่อไปนี้เป็นตัวอย่างบางส่วนของการออกแบบความปลอดภัยของโครงสร้างแกน:
A) อัตราส่วนความจุของขั้วไฟฟ้าบวกและลบและขนาดการออกแบบ
เลือกอัตราส่วนที่เหมาะสมของความจุอิเล็กโทรดบวกและลบตามลักษณะของวัสดุอิเล็กโทรดบวกและลบ อัตราส่วนของความจุอิเล็กโทรดบวกและลบเป็นลิงค์สำคัญที่เกี่ยวข้องกับความปลอดภัยของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ถ้าความจุบวกมากเกินไป ลิเธียมโลหะจะสะสมอยู่บนพื้นผิวของขั้วลบ ความจุของแบตเตอรี่ที่มีขั้วลบมากเกินไปจะมีการสูญเสียมาก โดยทั่วไป N/P=1.05~1.15 และทำการเลือกที่เหมาะสมตามความจุของแบตเตอรี่จริงและข้อกำหนดด้านความปลอดภัย ขนาดของฟิล์มได้รับการออกแบบให้ตำแหน่งของการแปะเชิงลบ (วัสดุออกฤทธิ์) มีขนาดใหญ่กว่าขนาดของการแปะเชิงบวก ความกว้างควรใหญ่กว่า 1 มม. และความยาวควรใหญ่กว่า 5 มม.
B) มีระยะขอบความกว้างของไดอะแฟรม
หลักการทั่วไปของการออกแบบความกว้างของไดอะแฟรมคือการป้องกันการลัดวงจรภายในที่เกิดจากการสัมผัสโดยตรงของขั้วไฟฟ้าบวกและลบ การหดตัวเนื่องจากความร้อนของไดอะแฟรมทำให้เกิดการเสียรูปของไดอะแฟรมในทิศทางของความยาวและความกว้างระหว่างการชาร์จแบตเตอรี่และการคายประจุแบตเตอรี่ และในสภาพแวดล้อมที่มีภาวะช็อกจากความร้อน พื้นที่พับของไดอะแฟรมจะเพิ่มโพลาไรเซชันเนื่องจากระยะห่างระหว่างขั้วไฟฟ้าบวกและขั้วลบเพิ่มขึ้น และพื้นที่ของไดอะแฟรมมีความตึงจะเพิ่มความเป็นไปได้ของการลัดวงจรระดับไมโครเนื่องจากไดอะแฟรมบางลง การหดตัวของบริเวณขอบของไดอะแฟรมอาจนำไปสู่การลัดวงจรภายในที่เกิดจากการสัมผัสโดยตรงระหว่างขั้วไฟฟ้าบวกและขั้วลบ ซึ่งอาจทำให้แบตเตอรี่เป็นอันตรายได้เนื่องจากการระบายความร้อน ดังนั้นในการออกแบบแบตเตอรี่จึงต้องคำนึงถึงลักษณะการหดตัวของไดอะแฟรมในการใช้พื้นที่และความกว้างของไดอะแฟรม และตัวคั่นจะมีขนาดใหญ่กว่าแอโนดและแคโทด เมื่อพิจารณาว่านอกเหนือจากข้อผิดพลาดของกระบวนการแล้ว ฟิล์มแยกจะต้องยาวกว่าด้านนอกของอิเล็กโทรดอย่างน้อย 0.1 มม.
C) การรักษาฉนวน
การลัดวงจรภายในเป็นปัจจัยสำคัญต่อความปลอดภัยที่ซ่อนอยู่ของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน มีสถานที่อันตรายหลายแห่งที่ทำให้เกิดการลัดวงจรภายในในการออกแบบโครงสร้างของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ดังนั้นควรติดตั้งมาตรการหรือฉนวนที่จำเป็นในสถานที่สำคัญเหล่านี้ เพื่อป้องกันการเกิดไฟฟ้าลัดวงจรในแบตเตอรี่ในสถานการณ์ที่ผิดปกติ เช่น การรักษาระยะห่างที่จำเป็นระหว่างหูขั้วบวกและขั้วลบ ควรติดเทปฉนวนที่ตำแหน่งกึ่งกลางที่ไม่แปะของด้านสิ้นสุด และควรพันส่วนที่เปิดออกทั้งหมด ควรวางเทปฉนวนระหว่างอลูมิเนียมฟอยล์ด้านบวกและวัสดุที่ใช้งานด้านลบ ส่วนเชื่อมของหูอิเล็กโทรดควรปิดด้วยเทปฉนวนอย่างสมบูรณ์ ด้านบนของแกนควรปิดด้วยเทปฉนวน ฯลฯ
D) ติดตั้งวาล์วนิรภัย (อุปกรณ์ระบายแรงดัน)
อันตรายของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมักเกิดจากการระเบิดและไฟไหม้ที่เกิดจากอุณหภูมิหรือแรงดันภายในมากเกินไป การติดตั้งอุปกรณ์ระบายแรงดันที่เหมาะสมสามารถคลายแรงดันและความร้อนภายในแบตเตอรี่ได้อย่างรวดเร็วเมื่อเกิดอันตรายและลดความเสี่ยงจากการระเบิด อุปกรณ์ระบายแรงดันที่เหมาะสมไม่เพียงต้องการแรงดันภายในแบตเตอรี่เมื่อทำงานตามปกติเท่านั้น แต่ยังต้องเปิดและปล่อยแรงดันโดยอัตโนมัติเมื่อแรงดันภายในถึงขีดจำกัดที่เป็นอันตราย ตำแหน่งการตั้งค่าของอุปกรณ์ระบายแรงดันจำเป็นต้องพิจารณาลักษณะการเสียรูปของเปลือกแบตเตอรี่เนื่องจากแรงดันภายในที่เพิ่มขึ้น การออกแบบของวาล์วนิรภัยสามารถรับรู้ได้จากแผ่นบางๆ ขอบ ตะเข็บ และรอยขีดข่วน
(3) ปรับปรุงระดับของเทคโนโลยี
มุ่งมั่นที่จะทำงานที่ดีในมาตรฐานและมาตรฐานของกระบวนการผลิตแบตเตอรี่ ในขั้นตอนของการผสม การเคลือบ การอบ การบดอัด การตัด และการม้วน สร้างมาตรฐาน (เช่น ความกว้างของไดอะแฟรม การฉีดอิเล็กโทรไลต์ ฯลฯ) ปรับปรุงกระบวนการ (เช่น วิธีการฉีดของเหลวความดันต่ำ วิธีเปลือกหอยโข่ง เป็นต้น) ทำงานได้ดีในการควบคุมกระบวนการ มั่นใจในคุณภาพของกระบวนการ และลดความแตกต่างระหว่างผลิตภัณฑ์ ในขั้นตอนสำคัญที่ส่งผลต่อความปลอดภัย ให้ตั้งค่าขั้นตอนพิเศษ (เช่น การดีโพลาไรซ์เสี้ยน การกวาดผง การใช้วิธีการเชื่อมที่แตกต่างกันสำหรับวัสดุที่แตกต่างกัน ฯลฯ) ใช้การควบคุมคุณภาพที่ได้มาตรฐาน กำจัดชิ้นส่วนที่มีข้อบกพร่อง กำจัดผลิตภัณฑ์ที่มีข้อบกพร่อง (เช่น การเสียรูปของอิเล็กโทรด ไดอะแฟรมเจาะ การไหลออกของวัสดุที่ใช้งาน และการรั่วไหลของอิเล็กโทรไลต์ ฯลฯ)