Lithium-Ionen-Sicherheitsbedenken

- Oct 12, 2017-

Wenn Sony die erste Lithium-Ionen-Batterie im Jahr 1991 eingeführt, wussten sie von möglichen Sicherheitsrisiken. Ein Rückruf von zuvor veröffentlichten wiederaufladbare metallischen Lithium-Batterie war eine düstere Erinnerung an die Disziplin, die man, beim Umgang mit dieser hohen Energiedichte Batterie-System üben muss.

Pionierarbeit für die Lithium-Batterie im Jahre 1912 begann, aber ist erst der Anfang 1970 als die erste nicht-wiederaufladbare Lithium-Batterie kommerziell verfügbar wurden. Versuche, wieder aufladbare Lithium-Batterien zu entwickeln folgte in den achtziger Jahren. Diese frühen Modelle wurden basierend auf metallischen Lithium und bot sehr hohen Energiedichte. Jedoch dämpften die inhärente Instabilität der Lithiummetall, vor allem während des Ladens auf die Entwicklung. Die Zelle hatte das Potenzial eines thermischen Run-away. Die Temperatur würde schnell steigen auf den Schmelzpunkt der metallischen Lithium und eine heftige Reaktion verursachen. Eine große Menge von wiederaufladbaren Lithium-Batterien hatte 1991 nach die Packung in ein Mobiltelefon heiße Gase veröffentlicht und Verbrennungen an Gesicht eines Mannes verursacht zurückgerufen werden.

Aufgrund der inhärenten Instabilität der Lithiummetall Forschung auf einer nicht-metallischen Lithium-Batterie mit Lithium-Ionen verlagert. Zwar etwas niedriger Energiedichte, ist der Lithium-Ionen-System sicher, vorausgesetzt, dass bestimmte Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden, beim Laden und entladen. Heute ist Lithium-Ionen-eine erfolgreiche und sichere Batterie-Chemikalien zur Verfügung. 2 Milliarden Zellen werden jedes Jahr produziert.

Lithium-Ionen-Zellen mit Kobalt Kathoden halten zweimal die Energie eines Nickel-basierten Akkus und viermal, die von Bleisäure. Lithium-Ionen ist ein geringer Wartungsaufwand, ein Vorteil, den meisten anderen Chemikalien behaupten können. Es ist kein Speicher und Batterie erfordert keine geplanten Radfahren um ihre Lebensdauer zu verlängern. Noch hat Lithium-Ionen-das Problem der Sulfatierung von Blei-Säure, das auftritt, wenn die Batterie ohne regelmäßige Topping kostenlos gespeichert wird. Lithium-Ion hat eine geringe Selbstentladung und ist umweltfreundlich. Minimaler Schaden verursacht zur Verfügung.

Lange Akku-Laufzeiten schon immer der Wunsch vieler Verbraucher. Batteriehersteller reagierte mit aktiver Verpackungsmaterial in eine Zelle und machen die Elektroden und Separatoren dünner. Dies ermöglichte eine Verdoppelung der Energiedichte, da Lithium-Ionen-1991 eingeführt wurde.

Die hohe Energiedichte hat ihren Preis. Fertigungsmethoden kritischer geworden, desto dichter werden die Zellen. Mit einem Separator Dicke von nur 20-25µm kann jede kleine Eindringung von metallischen Staubpartikeln verheerende Folgen haben. Geeignete Maßnahmen werden benötigt, um den vorgeschriebenen Sicherheitsstandard von UL 1642 festgelegten zu erreichen. Während ein Nagel-Penetrationstest auf ältere 18650 Zellen mit einer Kapazität von 1.35Ah, der heutigen High-Density-2.4 geduldet werden könnte Zelle würde eine Bombe zu werden, wenn den gleichen Test durchführen. UL 1642 erfordert keinen Nagel eindringen. Lithium-Ionen-Batterien ihre theoretische Energiedichte Grenze nähern und Batteriehersteller beginnen, Verbesserung der Fertigungsmethoden und Erhöhung der Sicherheit im Fokus.

Rückruf von Lithium-Ionen-Batterien

Mit der hohen Auslastung der Lithium-Ionen in Handys, Digitalkameras und Laptops gibt es sicherlich Probleme sein. Eine man-in-200.000 Ausfallrate löste einen Rückruf von fast 6 Millionen Lithium-Ionen-Packs verwendet in Notebooks von Dell und Apple hergestellt. Hitze in Verbindung stehenden Batterie Ausfälle werden sehr ernst genommen und Hersteller wählte einen konservativen Ansatz. Die Entscheidung, die Batterien setzt der Verbraucher an der Mühelosigkeit und Anwälte in Schach. Werfen wir nun einen Blick auf, was hinter den Rückruf.

Sony Energy Devices (Sony), der Hersteller von Lithium-Ionen-Zellen in Frage, sagt, dass in seltenen Fällen mikroskopisch kleinen Metallteilchen mit anderen Teilen der Batteriezelle, in Berührung kommen können zu einem Kurzschluss in der Zelle führt. Obwohl Batteriehersteller streben, das Vorhandensein von Metallpartikeln zu minimieren, komplexe Montagetechniken die Beseitigung von allen Metallstaub fast unmöglich machen.

Eine milde kurze wird nur dazu führen, dass eine erhöhte Selbstentladung. Wenig Wärme entsteht, weil die Entladung Energie sehr gering ist. Wenn jedoch genug mikroskopisch kleinen Metallteilchen an einer Stelle zusammenlaufen, eine große Kurzschluss kann entwickeln und ein beträchtlicher Strom fließt zwischen den positiven und negativen Platten. Dies bewirkt, dass die Temperatur zu steigen, was zu einer thermischen Instabilität, auch genannt "die Entlüftung mit Flamme."

Lithium-Ionen-Zellen mit Kobalt-Kathoden (identisch mit den zurückgerufenen Notebook-Akkus) sollte nie über 130 ° C (265 ° F) ansteigen. Bei 150° C (302° F) wird die Zelle thermisch instabil, eine Bedingung, die zu einer thermischen Instabilität führen kann in dem brennenden Gase werden gelüftet.

Während einer thermischen Instabilität kann die hohe Hitze der fehlerhaften Zelle in die nächste Zelle, wodurch es auch thermisch instabil ausbreiten. In einigen Fällen tritt eine Kettenreaktion in Gang, in dem jede Zelle ihren eigenen Stundenplan zerfällt. Ein Paket kann innerhalb von ein paar kurze Sekunden zerstört oder auf für mehrere Stunden zu verweilen, da jede Zelle einzeln verbraucht ist. Zur Erhöhung der Sicherheit sind Packungen mit Trennwänden ausgestattet, zu verhindern, dass die fehlerhafte Zelle Übergreifen auf benachbarte Zellen.

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Sicherheitsniveau der Lithium-Ionen-Systeme

Es gibt zwei grundlegende Arten von Lithium-Ionen-Chemikalien: Kobalt und Mangan (Spinell). Um maximale Laufzeit zu erreichen, verwenden Handys, Digitalkameras und Notebooks Lithium-Ionen-Kobalt-Basis. Mangan ist die neuere der beiden Chemikalien und bietet überlegenen thermische Stabilität. Es verträgt Temperaturen von bis zu 250 ° C (482 ° F), bevor Sie instabil. Darüber hinaus Mangan hat einen sehr niedrigen Innenwiderstand und liefern hohe Ströme auf Anfrage. Diese Batterien werden in zunehmendem Maße für Elektrowerkzeuge und medizinische Geräte verwendet. Hybrid- und Elektrofahrzeuge werden der nächste sein.

Der Nachteil der Spinell ist geringere Energiedichte. Eine Zelle von einer reinen Mangan-Kathode stellt normalerweise nur etwa die Hälfte die Kapazität von Kobalt. Handy und Laptop-Benutzer wäre nicht glücklich, wenn ihre Batterien auf halbem Weg durch die erwartete Laufzeit beenden. Um einen tragfähigen Kompromiss zwischen hoher Energiedichte, Betriebssicherheit und gute aktuelle Lieferung zu finden, können die Hersteller von Lithium-Ionen-Batterien die Metalle mischen. Typische Kathodenmaterialien sind Kobalt, Nickel, Mangan und Eisen-Phosphat.

Ich möchte dem Leser versichern, dass Lithium-Ionen-Akkus sicher und Hitze in Verbindung stehende Störungen sind selten. Die Batteriehersteller erreichen diese hohe Zuverlässigkeit durch das Hinzufügen von drei Schutzschichten. Sie sind: [1] Begrenzung der Höhe der Aktivmaterial, eine praktikable Gleichgewicht der Energiedichte und Sicherheit; [2] Einbeziehung verschiedener Sicherheit Mechanismen innerhalb der Zelle; [3] der Zusatz von eine elektronische Schutzschaltung im Akkupack.

Diese Schutzgeräte funktionieren wie folgt: die PTC-Gerät in die Zelle integriert fungiert als Schutz, hohe Stromstöße; hemmen der Stromkreis unterbrechen Gerät (CID) öffnet sich die elektrische Weg erhebt eine zu hohe Ladespannung den inneren Zelle Druck bis 10 Bar (150 Psi); und die Sicherheit Vent ermöglicht eine kontrollierte Freisetzung des Gases im Falle einer schnellen Zunahme in Zelle Druck. Neben der mechanischen Sicherungsmaßnahmen öffnet die elektronische Schutzschaltung außerhalb der Zellen einen Solid-State-Schalter wenn die Ladespannung einer beliebigen Zelle 4.30V erreicht. Eine Sicherung schneidet den Stromfluss, nähert sich die Hauttemperatur der Zelle 90 ° C (194 ° F). Um den Akku vor Tiefentladung zu schützen, die Kontrolle Schaltkreis Kürzungen aus den aktuellen Pfad in etwa 2.50V / Zelle. In einigen Anwendungen erlaubt die höhere inhärente Sicherheit des Systems der Spinell den Ausschluss des Stromkreises. In einem solchen Fall setzt die Batterie vollständig auf Schutzeinrichtungen, die in die Zelle integriert sind.

Wir müssen im Auge behalten, die diese Sicherheitsvorkehrungen nur wirksam sind, wenn die Betriebsart von außen wie ein Kurzschluss oder eine fehlerhafte Ladegerät Lieferumfang. Unter normalen Umständen wird ein Lithium-Ionen-Akku einfach Herunterfahren tritt ein Kurzschluss. Wenn jedoch ein Defekt der elektrochemischen Zelle innewohnt, wird z. B. in Verunreinigung durch mikroskopisch kleine Metallpartikel, diese Anomalie unerkannt. Noch können die Sicherheitsschaltung den Zerfall stoppen, sobald die Zelle in thermal runaway-Modus befindet. Nichts hält es einmal ausgelöst.

Was jeder Batterie-Nutzer wissen sollten

Ein großes Problem entsteht, wenn statische Elektrizität oder ein fehlerhaftes Ladegerät die Batterie Schutzschaltung zerstört hat. Solche Schäden kann Benutzer ohne dauerhaft die Solid-State-Schalter in Position ON verschmelzen. Eine Batterie mit einer fehlerhaften Schutzschaltung kann Funktion normalerweise aber bietet keinen Schutz gegen Missbrauch.

Ein weiterer Sicherheitsaspekt ist Kälte aufladen. Consumer-Klasse Lithium-Ionen-Batterien können nicht unter 0 ° C (32 ° F) berechnet. Obwohl die Packs normalerweise aufgeladen werden erscheinen, tritt Beschichtung von metallischen Lithium auf die Anode auf kostenpflichtig unter dem Gefrierpunkt. Die Beschichtung ist dauerhaft und kann nicht entfernt werden. Wenn wiederholt getan, kann solche Schäden die Sicherheit des Rudels gefährden. Die Batterie wird anfälliger für Fehler wenn Auswirkungen, verknallt oder hohe Aufladung unterworfen werden.

Asien produziert viele nicht-Marke Ersatz-Akkus, die wegen des niedrigen Preises bei den Handy-Nutzern beliebt sind. Viele dieser Batterien bieten nicht den gleichen hohen Sicherheitsstandard als Hauptmarke Äquivalent. Eine Weise Shopper verbringt ein wenig mehr und die Batterie mit einem genehmigten Modell ersetzt. Abbildung 1 zeigt ein Handy, das während des Ladevorgangs in einem Auto zerstört wurde. Der Besitzer glaubt, dass eine keine-Name-Pack die Zerstörung verursacht.

Um zu verhindern das Eindringen von unsicheren Pakete auf dem Markt, verkaufen die meisten Hersteller Lithium-Ionen-Zellen nur an zugelassene Batterie Pack Monteure. Die Aufnahme von einem zugelassenen Sicherheitskreis ist Teil der Einkauf. Dies erschwert ein Bastler, einzelne Lithium-Ionen-Zellen serienmäßig in einem Geschäft zu kaufen. Der Bastler haben keine andere Wahl als zu Nickel-basierten Batterien wiederherstellen. Ich warne davor mit einem nicht identifizierten Lithium-Ionen-Akku aus einer asiatischen Quelle, wenn solche Zellen zur Verfügung.

Die Sicherheitsmaßnahme ist besonders wichtig, auf größere Batterien, wie z. B. Laptop-Packs. Die Gefahr ist so viel größer als auf einem kleinen Handy-Akku, wenn etwas schief geht. Aus diesem Grund sichern viele Laptop-Hersteller ihre Batterien mit einem geheimen Code, den nur den passenden Computer zugreifen können. Dadurch wird verhindert, dass Marken-Batterien überschwemmen den Markt. Der Nachteil ist einen höheren Preis für die Ersatz-Akku. Leser der www.BatteryUniversity.com fragen mich oft für eine Quelle für günstige Laptop-Batterien. Ich habe die Käufer enttäuschen leitet sie an den ursprünglichen Lieferanten für ein Markenname-Pack.

In Anbetracht der Anzahl der Lithium-Ionen-Batterien auf dem Markt hat dieser Energiespeicher wenig Schaden in Bezug auf Schäden und Verletzungen verursacht. Trotz der guten Ruf ist die Sicherheit ein heißes Thema, das hohe mediale Aufmerksamkeit, auch auf eine kleine Panne bekommt. Diese Vorsicht ist gut für den Verbraucher, denn wir sicher sein werden, dass dieser beliebte Energiespeicher sicher ist. Nach dem Rückruf von Apple und Dell Notebook-Akkus Handy-Hersteller versucht nicht nur, mehr Energie in das Paket packen aber versucht zu machen, mehr kugelsichere.