باتری های لیتیومی
باتری های لیتیومی
باتری های لیتیومی
نکات ایمنی باتری های لیتیومی :
وقتی کمپانی سونی اولین باتری لیتیوم یونی را در سال 1991 معرفی کرد آنها از خطرات احتمالی آن اطلاع داشتند. #باتری لیتیوم در سال 1912 شروع به کار شد و تا اوایل دهه 1970 ادامه داشت. باتری لیتیوم غیر قابل شارژ، از نظر تجاری در دسترس قرار نگرفت و تلاش برای تولید باتری های لیتیوم قابل شارژ که در دهه هشتاد استفاده می شد مبتنی بر لیتیوم فلزی بود که چگالی بسیار بالایی داشت.
بنابراین، فلز لیتیوم قابل شارژ، پیشرفتی در توسعه ایجاد کرد. دما به سرعت به نقطه ذوب فلزی افزایش یافت و باعث ایجاد یک واکنش خشونت آمیز شد. مقدار زیادی از باتری های لیتیوم قابل شارژ در سال 1991، پس از خاموش شدن تلفن همراه موجب انتشار گازهای گرم در آن شد و موجب انفجار گوشی و ایجاد سوختگی در چهره یک مرد گردید.
به دلیل عدم ثبات در لیتیوم فلز، یون های لیتیوم به باتری لیتیوم غیر فلزی منتقل می شود. اگرچه از نظر چگالی انرژی آن پایین بوده و سیستم یون لیتیوم بی خطر است اما در صورت شارژ و تخلیه، از نظر ایمنی باید رعایت شود. امروزه لیتیوم یون یکی از موفق ترین و بی خطرترین شیمی درمانی باتری های موجود در بازار است که سالانه دو میلیارد سلول توسط آن تولید می شود.
سلول های یون لیتیوم با یون کاتد کبالت دو برابر انرژی باتری مبتنی بر نیکل و چهار برابر اسید سرب را در خود دارند. یون لیتیوم سیستم نگهداری پایینی دارد مزیتی که اکثر شیمیدانان نمی توانند ادعا کنند. در باتری هیچ حافظه ای وجود ندارد و برای طولانی شدن عمر خود به چرخه ی برنامه ریزی شده نیاز ندارد. همچنین یون لیتیوم، مشکل سولفات شدن اسید سرب را ندارد که در صورت ذخیره باتری بدون بار پر کردن دوره ای رخ می دهد. یون لیتیوم دارای ترشح کم و سازگار با محیط زیست است.
باتری های لیتیوم همیشه آرزوی بسیاری از مصرف کنندگان بوده است. سازندگان باتری با بسته بندی مواد فعال تر در سلول و ساختن الکترود و جداکننده نازک تر پاسخ دادند. این امر باعث افزایش دو برابر چگالی انرژی از زمان ورود لیتیوم یون در سال 1991 شد.
در این صورت، سلول ها متراکم تر می شوند. با ضخامت جداکننده فقط 20-25 میکرومتر، هرگونه نفوذ به سلول ها حتی کوچک مانند ذرات غبار فلزی می تواند عواقب ویرانگری داشته باشد. اقدامات مناسب برای دستیابی به استاندارد ایمنی اجباری تعیین شده توسط UL 1642 مورد نیاز خواهد بود.
استفاده ی زیاد از لیتیوم یون در تلفن های همراه، دوربین های دیجیتالی و لپ تاپ، مشکلاتی را به وجود می آورد. یک درصد از 200000 شکست باعث می شود تقریبا شش میلیون بسته لیتیوم یون مورد استفاده در لپ تاپ های تولید شده توسط دل و اپل را به یاد می آورد. خرابی باتری مربوط به گرما بسیار جدی گرفته می شود و تولید کنندگان رویکرد محافظه کارانه را انتخاب می کنند. تصمیم به تعویض #باتری ها، مصرف کننده را راحت کرده و وکلا را در معرض خطر قرار داده است.
دستگاه های انرژی سونی، سازنده سلول های لیتیوم یونی مورد نظر، می گوید که در موارد نادر ممکن است ذرات فلزی میکروسکوپی با سایر قسمت های سلول باتری در تماس باشند و منجر به اتصال کوتاه در درون سلول شود. اگرچه تولید کنندگان باتری در تلاش هستند تا حضور ذرات فلزی را به حداقل برسانند اما تکنیک های پیچیده برای از بین بردن همه گرد و غبار فلزی، غیرممکن است.
این دستگاه ها گرمای کمی ایجاد می کنند زیرا انرژی تخلیه بسیار کمی دارند. با این حال، اگر ذرات فلزی میکروسکوپی کافی در یک نقطه همگرا شوند یک جریان الکتریکی بزرگ ایجاد می کند و جریان قابل توجهی بین صفحات مثبت و منفی اتفاق می افتد و این امر باعث بالا رفتن دما شده و منجر به فرار حرارتی می شود.
سلول های یون لیتیوم با کاتد کبالت (همان باتری های لپ تاپ) هرگز نباید از 130 درجه سانتی گراد (265 درجه فارنهایت) بالا بیایند. در دمای 150 درجه سانتیگراد (302 درجه فارنهایت) سلول از نظر حرارتی ناپایدار می شود. شرایطی که می تواند به یک فرار حرارتی منجر شود این است که در آن گازهای شعله ور جریان یابد.
در حین فرار حرارتی، گرمای سلول ناقص می تواند به سلول بعدی منتقل شود و باعث شود که از نظر حرارتی نیز ناپایدار شود. در بعضی موارد، یک واکنش زنجیره ای رخ می دهد که در آن هر سلول در جدول زمانی مشخص خود تجزیه می شود. بسته ای که می تواند در طی چند ثانیه کوتاه یا چندین ساعت از بین ببرد چون هر سلول یک به یک مصرف می شود. برای افزایش ایمنی، بسته هایی با تقسیم کننده ها در نظر گرفته شده است تا سلول خراب را از انتشار سلول های همسایه محافظت کند.
سطح ایمنی سیستم های یون لیتیوم :
در شیمی، یون لیتیوم دو نوع دارد: کبالت و منگنز (اسپینل). برای دستیابی به حداکثر زمان اجرا، تلفن های همراه، دوربین های دیجیتال و لپ تاپ ها از لیتیوم یون مبتنی بر کبالت استفاده می کنند. منگنز جدیدترین نوع شیمی است و پایداری حرارتی بالایی را ارائه می دهد. این می تواند درجه حرارت تا 250 درجه سانتیگراد (482 درجه فارنهایت) را قبل از ناپایدار بودن حفظ کند. علاوه بر این، منگنز از مقاومت داخلی بسیار پایینی برخوردار است و می تواند جریان زیادی را تحویل دهد. این باتری ها به طور فزاینده ای برای ابزارهای برقی و تجهیزات پزشکی استفاده می شوند.
در نتیجه باتری های لیتیوم یونی ایمن هستند و خرابی های مربوط به گرما در آنها بسیار نادر اتفاق می افتد. تولید کنندگان باتری با اضافه کردن سه لایه محافظت به این قابلیت اطمینان بالایی دست می یابند. آنها عبارتند از: [1] محدود کردن مقدار مواد فعال برای دستیابی به یک تعادل کارآمد از چگالی انرژی و ایمنی. [2] درج مکانیسم های مختلف ایمنی درون سلول. [3] اضافه کردن یک مدار حفاظت الکترونیکی در باتری.
این دستگاه های محافظ به روش های زیر عمل می کنند: دستگاه PTC که در داخل سلول قرار دارد به عنوان محافظ عمل می کند تا از افزایش جریان زیاد جلوگیری کند. اگر یک ولتاژ شارژ بیش از حد بالا، فشار سلول داخلی را به 10 بار (150 psi) افزایش دهد، دستگاه قطع مدار (CID) مسیر الکتریکی را باز می کند. در صورت افزایش سریع فشار سلولی، دریچه ایمنی، امکان انتشار گاز کنترل شده را فراهم می آورد. علاوه بر حفاظت مکانیکی، مدار حفاظت الکترونیکی که در خارج از سلول ها قرار دارد، اگر ولتاژ بار هر سلول به 4.30 ولت برسد، سوئیچ حالت جامد را باز می کند. اگر دمای پوست سلول به 90 درجه سانتیگراد (194 درجه فارنهایت) برسد فیوز جریان فعلی را کاهش می دهد. برای جلوگیری از شارژ بیش از حد باتری، مدار کنترل مسیر فعلی را در سلول حدود 2.50 ولت قطع می کند. در برخی از کاربردها، ایمنی بالاتر سیستم اسپینل امکان خروج مدار الکتریکی را فراهم می کند. در چنین حالتی، باتری کاملاً به دستگاه های محافظتی که درون سلول ساخته می شوند متکی است.
باید در نظر داشته باشیم که این موارد احتیاط و ایمنی، فقط در صورت شارژر معیوب مؤثر است. در شرایط عادی یک باتری یون لیتیوم هنگام وقوع یک اتصال کوتاه به راحتی خاموش می شود. اما اگر نقص ذاتی سلول الکتروشیمیایی باشد مانند آلودگی ناشی از ذرات فلزی میکروسکوپی، این ناهنجاری کشف نمی شود. پس از آنكه سلول در حالت حرارتی قرار گرفت نمی توان مدار ایمنی را متوقف كرد. هیچ چیز نمی تواند آن را متوقف کند.
