Co se stane, když zkratujete baterii?

Externí zkrat obecně označuje zkrat způsobený přímým kontaktem mezi kladným a záporným pólem baterie. Externí zkrat (ESC) způsobí nárůst teploty, který může zničit baterii, pokud vydrží dostatečně dlouho.

Jako první krok začněme experimentem, který objasní změny napětí a proudu během vnějšího zkratu.

V experimentu je použita baterie 18650 NCM s následujícími parametry:

V prvním experimentu byla okolní teplota baterie fixována na 25 °C a proměnné byly různé SOC.

Experimentální data jsou uvedena níže; celý proces vnějšího zkratování baterie je rozdělen do dvou fází podle změny proudu:

1. První fáze: fáze rychlého vzestupu. Proud rychle stoupá na vrchol, zatímco napětí klesá na nízkou úroveň;
2. Druhá fáze: fáze trvalého proudu. Proud klesá rychlejším tempem, pak nastane proudové plató a poté, co se proudové plató udrží po určitou dobu, proud rychle klesne na nulu. Trend změny napětí je stejný, při poklesu na cca 1V se objeví napěťové plató a po jeho udržení po určitou dobu se napětí rapidně sníží na nulu.

Čas potřebný k dosažení vlastní ochrany baterie je nastaven jako kritický čas.

Experimentální jevy jsou shrnuty takto:

1. Ve fázi rychlého nárůstu, vyjma 10% SOC, stoupne proud zbývajících baterií ve stavu SOC na 60-80 A za téměř 0.1 s, což odpovídá vybití v rozsahu 30-40 C.
2. Ve fázi rychlého náběhu klesne napětí všech článků ve stavu SOC ze 4.2 V na cca 1.0 V za téměř 0.1 s. Napětí všech článků ve stavu SOC klesne ze 4.2 V na cca 1.0 V za téměř 0.1 s.
3. Ve fázi trvalého proudu platí, že čím vyšší je SOC, tím vyšší je proud bateriové platformy, ale kratší doba trvání.
4. Ve fázi trvalého vysokého proudu platí, že čím vyšší je SOC, tím kratší je doba trvání platformy napětí článku. Po snížení napětí na nulu má doba klidu 80-100 s za následek odraz napětí.

Ve druhém experimentu byly okolní teploty baterie 20 °C, 30 °C a 40 °C a proměnné byly různé SOC.

Experimentální data jsou uvedena níže a experimentální jevy jsou shrnuty následovně:

1. ve fázi rychlého nárůstu platí, že čím vyšší je SOC, tím vyšší je nárůst proudu baterie.
2. Ve fázi nepřetržitého proudu bez úniku platí, že čím vyšší SOC, tím vyšší proud baterie, ale kratší doba trvání.
3. čím vyšší SOC, tím menší kapacitu baterie vybije během celého procesu zkratu.
4. Pokud nedochází k úniku, maximální nárůst teploty způsobený vnějším zkratem se zvyšuje, když SOC klesá a okolní teplota klesá.
5. Pokud dojde k úniku elektrolytu, baterie s únikem mají tendenci produkovat vyšší nárůst teploty než baterie bez úniku.
6. Únik nastává náhodně, ale je pravděpodobnější, když je SOC a okolní teplota vysoká.

Ve třetím experimentu byla okolní teplota baterie pevná, SOC byla nastavena na 20 %, 50 % a 80 % a proměnnými byly různé doby externího zkratu.

Experimentální data jsou znázorněna na obrázku níže a jako kritický čas je nastaven čas potřebný k dosažení vlastní ochrany baterie.

Experimentální jevy jsou shrnuty takto:

1. Baterie s nízkým SOC mají větší kritický časový bod při externím zkratu.
2. Kapacita baterie po externím zkratu se sníží.

Prostřednictvím těchto tří experimentů jsme z nich schopni vyvodit následující závěry:

Za předpokladu, že po externím zkratování lithium-iontových baterií nedochází k žádnému úniku

1. Při stejné teplotě, čím větší je SOC baterie, tím vyšší je špičková hodnota zkratového proudu v náběhovém stupni v okamžiku vnějšího zkratu (úroveň 0.1s); čím vyšší je aktuální plató v aktuální fázi udržení a tím kratší je kritická doba.
2. Při stejné teplotě v okamžiku vnějšího zkratu (úroveň 0.1s) klesne zkratové napětí na určitou hodnotu a není velký rozdíl v napětí po poklesu různých SOC baterií.
3. Při stejné teplotě platí, že čím větší SOC baterie, tím menší kapacita se vybije při externím zkratu.
4. Pro stejnou SOC platí, že čím vyšší je teplota, tím kratší je kritická doba vnějšího zkratu baterie; když je SOC vyšší, kritická doba baterie při různých teplotách se mění méně.
5. Pro stejnou SOC platí, že čím vyšší teplota, tím větší je hodnota plató trvalého proudu po externím zkratu baterie.
6. Pro stejnou SOC platí, že čím vyšší je teplota, tím menší je vybíjecí kapacita během doby, kdy baterie dosáhne kritického času po externím zkratu.
7. Kapacita baterie se po externím zkratu sníží.

Během vnějšího zkratu, pokud baterie vyteče (vnitřní materiál baterie selže a spustí tepelnou reakci)

1. Čím vyšší je okolní teplota, tím větší je SOC baterie, tím je pravděpodobnější, že při vnějším zkratu vyteče.
2. Po úniku se hodnota aktuální udržované platformy baterie zmenší, maximální teplota nárůstu teploty se zvýší a uvolněná kapacita se sníží.

Druhý krok, prostřednictvím analýzy experimentálních jevů a závěrů, k vybudování modelu externího zkratu lithium-iontové baterie (následující obsah pro spekulace, bez experimentálního důkazu, sledujte opatrně)

Externí zkrat lithium-iontové baterie je znázorněn na obrázku níže: kladný a záporný pól baterie jsou spojeny vodičem s odporem úrovně mΩ.

Předpokladem je, že při vnějším zkratu lithium-iontové baterie nedochází k žádnému úniku.

Jak je znázorněno na obrázku níže, vnitřní reakce baterie s vysokým SOC během vnějšího zkratu je rozdělena do tří kroků.

V prvním kroku Li ionty v povrchové oblasti elektrod rychle dokončí proces deembedace a vnoření v okamžiku, kdy se kladná a záporná elektroda dostanou do vzájemného kontaktu vnějším vodičem. Makroskopicky se to projevuje vznikem velkého proudu. V důsledku připojení externího vodiče se na kladné elektrodě nahromadí velké množství záporných nábojů, což vede ke snížení potenciálu kladné elektrody; podobně se zvyšuje negativní elektrodový potenciál v důsledku akumulace velkého množství kladných nábojů, což je fenomén polarizace. Vlivem polarizace se to makroskopicky projevuje jako rychlé napětí. Kroky řízení rychlosti v tomto kroku jsou rychlost elektrochemické reakce a rychlost difúze.

Ve druhém kroku jsou Li ionty v povrchu elektrody postupně spotřebovávány a Li ionty v elektrolytu jsou transportovány rychlostí menší, než je rychlost elektrochemické reakce, a Li ionty na povrchu elektrody nejsou včas doplňován, což se makroskopicky projeví poklesem vnějšího zkratového proudu až do dosažení ustáleného proudu. V tomto okamžiku, protože vnější vodič vždy existuje, vždy existuje polarizace, která se projevuje kolísáním napětí kolem hodnoty plató. Jak se reakční doba prodlužuje, mění se potenciál samotné elektrody v důsledku změn koncentrace lithných iontů v elektrodě v důsledku de-embedding a embeding. To je charakterizováno poklesem napěťového plató. Krokem řízení rychlosti je rychlost difúze.

Ve třetím kroku existují dva scénáře.

Pokud je v tomto okamžiku aktivován mechanismus vlastní ochrany baterie, proudová cesta se uvnitř baterie přeruší, a protože již netvoří úplný obvod, makro výraz je, že zkratový proud je snížen na nulu a protože je obvod uvnitř baterie přerušen, externí testovací zařízení již nebude snímat napětí baterie, které je vyjádřeno jako snížení napětí na nulu.

Pokud jsou externí vodiče uměle odpojeny před tím, než začne fungovat samoochranný mechanismus baterie, zkratový proud se sníží na nulu. Když se obvod přeruší, zkratový proud se vynuluje, zkoušečka externího napětí může stále snímat napětí baterie a poté, co vnější proud zmizí, polarizace elektrod postupně zmizí, což znamená, že se napětí vrátí na hodnotu v blízkosti napětí před externím zkratem. V tomto případě lze baterii po zkratu stále používat, protože procesem zkratu je vysoká rychlost vybíjení (30-40 C vybíjení ve výše uvedeném experimentu). Vysoká rychlost vybíjení však povede k tvorbě mrtvého lithia, tvorbě lithiových dendritů a poškození vnitřních materiálů baterie, což se projeví snížením kapacity baterie a zvýšením bezpečnostního rizika.

Dále je diskutován vliv SOC na zkratované baterie.

Reakce, ke kterým dochází v procesu externího zkratu u baterie s nízkým SOC, jsou stejné jako u baterie s vysokým SOC, s následujícími rozdíly.

1. Díky nižší SOC je v materiálu katody zabudováno více Li iontů a méně Li je přítomno ve vnějším roztoku, takže špičková hodnota proudu, které může baterie dosáhnout během prvního kroku, je snížena. Pokud jde o napětí, protože vliv polarizace na napětí je mnohem větší než vliv koncentrace Li-ion na potenciál elektrody (lze pochopit, že pro kladnou elektrodu přináší vnější vodič 10,000 10 záporných nábojů najednou, a nyní je jedno, zda do kladné elektrody vstupuje 20 Li iontů nebo XNUMX Li iontů), a projevuje se to tak, že napětí článků s různými SOC klesá na podobnou hodnotu.
2. Za předpokladu, že množství tepla potřebné ke spuštění baterie k aktivaci mechanismu vlastní ochrany je stejné, podle Jouleova zákona Q=I²Rt je proud v baterii s nižší SOC nižší než v baterii s vyšší SOC, a proto je kritická doba pro nižší baterii SOC je delší.

Dále si probereme vliv teploty na externí zkratovou baterii.

1. Když je okolní teplota vysoká, kritická doba baterie bude kratší, protože schopnost baterie odvádět teplo bude špatná a uvnitř baterie se akumuluje velké množství tepla, takže může dosáhnout vysoké teploty. v krátkém čase.
2. U baterií s vysokým SOC je při externím zkratu vyšší proud a vliv vnější teploty okolí na schopnost rozptylu tepla je omezený, takže se ukazuje, že kritická doba baterií s vysokým SOC se při různých teplotách příliš nemění. .
3. Vysoká teplota může zvýšit rychlost difúze materiálu, takže u stejné baterie SOC při vysoké okolní teplotě je hodnota plató proudu vyšší a kritická doba je kratší.

Dále probereme vliv doby externího zkratu na baterii, než baterie zapne svůj ochranný mechanismus.

Čím delší doba, tím delší je proces vybíjení baterie vysokou rychlostí a tím větší poškození baterie způsobí. Vnitřní zkrat nastane, když generované teplo Joule způsobí selhání membrány. Problematika vnitřního zkratu bude diskutována později.

Takže ve výše uvedené analýze jsme objasnili jevy, které nastávají, když je baterie zkratována, a modelovali jsme zkratovanou baterii. Zbývá ještě pár otázek, na které je potřeba odpovědět.

①Je pravda, že všechny baterie budou mít po externím zkratu plató napětí asi 1 V?

Ne, hodnota plateau je určena povahou samotného materiálu elektrody a v různých bateriových systémech externí zkrat způsobí, že baterie bude mít různé hodnoty plateau.

②Vede externí zkrat nutně k selhání bezpečnostního výkonu baterie?

Ne, externí zkrat je proces vysokorychlostního vybíjení, ačkoli způsobí poškození vnitřních materiálů baterie a sníží výkon baterie, nepovede to k bezpečnostnímu selhání všech baterií. U napájecích baterií je prvotním cílem návrhu, aby bylo možné nabíjet a vybíjet vysokou rychlostí C. Vysoká okolní teplota a vysoký stav SOC zvýší pravděpodobnost selhání bezpečnosti při externím zkratu.

V závodě Eazo jsme velmi hrdí na naši profesionalitu a rozsáhlé odborné znalosti v oblasti výroby baterií. S naším pokročilým výrobním a testovacím zařízením spolu se standardizovanými výrobními linkami zajišťujeme 100% sledovatelnost v průběhu celého výrobního procesu. Naše čistá dílna poskytuje ideální prostředí pro vysoce kvalitní výrobu.

Jsme odhodláni poskytovat spolehlivost, používat pokročilé výrobní techniky a přísné procesy kontroly kvality, které dodržují normy ISO na každém kroku. Naše testování a kontrola BMS zajišťuje správné fungování a přesnost systému správy baterií. Provádíme třídění kapacity článků, abychom zajistili konzistentní výkon během montáže. Naše automatizované procesy třídění buněk a svařování zajišťují efektivní výrobu. Provádíme také komplexní testování, včetně testování na zkrat, abychom ověřili bezpečnost a stabilitu bateriových sad i v extrémních podmínkách.

Abychom zajistili konzistenci a stabilitu bateriových sad, pečlivě spravujeme články pomocí sériových čísel na základě dat výroby. To zajišťuje, že každá baterie se skládá z podobných článků a poskytuje spolehlivý výkon a konzistentní kvalitu. Náš informovaný a digitalizovaný systém řízení kvality výrobků spolu s robustním systémem sledovatelnosti výrobků zaznamenává a sleduje všechna data výroby a testování pro komplexní zajištění kvality.

Vyberte si naše služby pro precizně vyrobené a spolehlivé baterie, podpořené naším profesionálním přístupem. Ať už jste individuální spotřebitel nebo firemní zákazník, jsme odhodláni poskytovat vám vysoce kvalitní baterie. Naše velká výrobní kapacita a vysoce standardní výrobní procesy zajišťují, že dokážeme vyhovět vašim potřebám a dodat včas. Náš specializovaný tým je připraven poskytnout komplexní podporu a zajistit, že obdržíte přizpůsobená řešení.

Kontaktujte nás nyní a prodiskutujte své požadavky na baterie a vyzkoušejte rozdíl, který mohou naše pokročilé výrobní možnosti udělat. Spojte se s námi pro klid duše s vědomím, že máte spolehlivé baterie, které poskytují vynikající kvalitu a výkon.

Neváhejte nás kontaktovat, pokud budete cokoli potřebovat

Když lidé mluví o tom, že lithiové baterie jsou „nebezpečné“, ve skutečnosti mluví o zkratech. Zkrat je, když se kladný pól baterie nějakým způsobem může dostat do kontaktu se záporným pólem baterie, aniž by mezi tím bylo něco, co by zpomalilo tok nabíjení. Baterie do sebe v podstatě začne ukládat energii tak rychle, jak jen to jde, a když energie nemá kam jít, přemění se v teplo. Lithiové baterie tak mohou v extrémních případech vést k požáru.

Naštěstí se kvalitní lithiové baterie nezkratují samy od sebe. Na rozdíl od levných bateriových článků, o kterých je známo, že se samovolně vznítí (i když je to stále vzácné), kvalitní lithiové baterie lze bezpečně používat. Jediné nebezpečí plyne ze špatného používání těchto baterií a způsobení zkratu.

Při použití sady VRUZEND, pokud budete postupovat podle pokynů pro sériové a paralelní zapojení baterií, ne každý zaznamená zkrat. Pokud však nedáváte pozor nebo nerozumíte tomu, jak propojit baterie, můžete náhodně vytvořit zkrat mezi jedním nebo více články baterie.

Jak se dělá zkrat

Podívejme se, jak může dojít ke zkratu, abychom věděli, jak se mu vyhnout. S vaší stavebnicí baterií VRUZEND je nejjednodušší způsob, jak vytvořit zkrat, spojením víček svorek dohromady způsobem, který spojí kladný a záporný konec více článků baterie dohromady ve smyčce.

Jednoduchý zkrat může být způsoben spojením obou svorek na jednom článku.

Tento typ zkratu by bylo s vaší sadou VRUZEND poměrně obtížné dosáhnout, protože většina spojení bude provedena pomocí přípojnic namísto vodičů, takže dva terminály na opačných koncích článků se nebudou moci navzájem dostat.

Vícečlánkový zkrat by však bylo jednodušší vytvořit se stavebnicí VRUZEND. Zde je více článků orientováno tak, že jejich protilehlé svorky by mohly být spojeny do zkratu, kde jsou kladné a záporné póly všechny spojeny ve smyčce.

Představte si dvě buňky v krytech svorek VRUZEND, orientované proti sobě. Takto byste začali stavět větší baterii. Spojení na jednom konci by vytvořilo sériové spojení, protože byste připojili kladný pól jednoho článku k zápornému pólu druhého článku. To je v pořádku – takhle by mělo fungovat sériové připojení. Problém nastává, pokud byste náhodou spojili další dva terminály dohromady také. To by vytvořilo obvodovou smyčku, která prochází oběma buňkami a mezi nimi není nic kromě sběrnic. Jednalo by se o zkrat, který by se mohl začít přehřívat a zničit články baterie, což by mohlo mít za následek požár nebo výbuch.

K tomuto typu zkratu může dojít snadněji během konstrukce vaší sady. Něco tak jednoduchého, jako je upuštění přípojnice na horní část částečně dokončené baterie, může snadno způsobit tento zkrat, pokud přípojnice přistane mezi dvěma články, které jsou zapojeny do série na spodní straně baterie. Dokonce i šroubovák nebo vlásenka by mohla způsobit zkrat mezi dvěma nebo více články, jako je tento – cokoliv kovového nebo vodivého, co by mohlo překlenout tuto mezeru. Věřte nebo ne, ale zpocená dlaň by při vhodných podmínkách mohla způsobit zkrat mezi články baterie. O důvod víc nosit rukavice při stavbě baterie!

Co dělat, když dojde ke zkratu

Než začnete pracovat na baterii, měli byste si připravit pracovní plochu odstraněním veškerého nepotřebného kovu a ujistit se, že máte poblíž hasicí přístroj pro každý případ. Měli byste mít také volnou cestu ven, pokud je to možné, pro případ, že byste potřebovali vyjmout baterii.

Pokud náhodou vytvoříte zkrat, například upuštěním přípojnice na nesprávném místě, pravděpodobně uvidíte jiskry, jakmile se vodivý předmět dotkne. Dělat ne panika. Pokud byl zkrat nárazovým úderem, protože vodivý materiál byl okamžitě odstraněn, je pravděpodobné, že nedošlo k žádné újmě. Velmi krátké trvání zkratu není pro baterii skvělé, ale je nepravděpodobné, že by způsobilo dlouhodobé poškození nebo vyústilo v nebezpečný scénář.

Někdy se zkrat může sám svařit. Dostatečně silný tok proudu může přivařit jakýkoli kovový kus, který způsobil zkrat. To je větší problém, protože zkrat zůstane a poteče proud. Znovu, udělejte ne panika. První věc, kterou chcete udělat, je pokusit se odstranit stav zkratu, pravděpodobně odstraněním části, která zkrat způsobila. Pokud je to možné, uchopte kov a odtáhněte jej. Rychle se však začne zahřívat, takže pokud se k němu nedostanete během několika sekund a nemáte rukavice, budete muset použít nástroj, abyste si nepopálili prsty. Další skvělý důvod, proč nosit rukavice! Dřevěný nebo plastový nástroj je vhodnější pro páčení čehokoli, co zkrat způsobuje, protože vám zabrání náhodnému vytvoření dalších šortek kovovým nástrojem.

Pokud absolutně nemůžete odstranit závadnou vodivou část a vaše baterie je zaseknutá ve stavu zkratu, budete muset vyjmout baterii z vašeho pracovního prostoru. Pravděpodobně se nakonec dostane do tepelného úniku, což způsobí přehřátí článků a odvětrání horkého plynu. Pokud se baterie nachází v blízkosti jiných hořlavých materiálů, jako je dřevěný pracovní stůl, mohlo by dojít k požáru.

Pokud máte venku volný prostor bez hořlavých materiálů, jako je betonová nebo asfaltová příjezdová cesta nebo špinavý dvůr, bylo by to dobré místo pro baterii. Budete chtít vyjmout baterii z vašeho domova nebo dílny poměrně rychle, protože baterie se začne rychle zahřívat. Práce na dřevěném prkénku, jako je prkénko nebo kus desky stolu, by byla dobrá metoda, která vám umožní přesunout baterii, aniž byste ji museli držet.

Jakmile budete mít zkratovanou baterii na volném místě, budete ji muset sledovat a nechat ji vyhořet. Pravděpodobně uvolní velké množství plynu a plamene. V některých případech mohou jednotlivé buňky explodovat. Pokud je to možné, polití baterie vodou může pomoci zabránit tepelnému úniku blízkých článků, které nezaznamenaly zkrat. Nepřibližujte se však příliš blízko k baterii – zahradní hadice vám pomůže udržet si vzdálenost.

Většina běžných hasicích přístrojů nepracuje s lithiovými bateriemi příliš dobře, jakmile začnou tepelně unikat – jsou prostě příliš horké. Dostatek vody funguje lépe. Hasicí přístroj je však stále důležitým nástrojem, který byste měli mít po ruce, protože může pomoci zabránit tomu, aby se baterie zapálila jinými předměty v okolí.

Jakmile se baterie sama vypálí, nechte ji několik hodin vychladnout. Voda a/nebo špína mohou pomoci k rychlejšímu ochlazení. Nakonec jej budete muset zlikvidovat způsobem bezpečným pro životní prostředí. Obraťte se na místní úřad a zeptejte se, jak likvidovat lithiové baterie nebo jiný nebezpečný odpad.

Pokud z nějakého důvodu nemůžete vyjmout baterii ze svého domu, například když bydlíte ve 20. patře činžovního domu, budete chtít baterii umístit na bezpečné místo, které nevede k ničemu jinému. zapálením. Trouba v kuchyni nebo BBQ gril na balkoně by byla dobrá volba. Vše, co není hořlavé a může obsahovat baterii, bude fungovat.

Odnést

Tento článek vás nemá vyděsit. Spíše doufám, že vás to A) naučí, jak se vyhnout zkratům, a B) připraví vás na případ, že někdy zažijete zkrat.

Nejlepší způsob, jak zajistit, že nikdy nebudete muset řešit zkrat, je jednoduše pracovat pomalu a opatrně. Postavil jsem stovky baterií a jen zřídka jsem měl problém se zkratem. Několikrát jsem omylem udělal zkrat, bylo to vždy proto, že jsem byl neopatrný a nevěnoval jsem pozornost tomu, co dělám. Buď jsem položil přípojnici na špatné místo, když jsem pracoval příliš rychle, nebo jsem na baterii upustil nástroj. Pokaždé jsem rychle odstranil část, která zkrat způsobila a vše bylo v pořádku.

Vždy si nezapomeňte naplánovat své pohyby předem a pracujte pomalu, abyste se ujistili, že víte, co děláte a kdy to uděláte. Pokud budete opatrní, nikdy byste neměli narazit na zkrat. Ale pokud to někdy uděláte, jen si pamatujte, zůstaňte v klidu a odstraňte stav zkratu, nebo vyjměte baterii na bezpečné místo a polijte vodou.

O autorovi
	Micah Toll je strojní inženýr, výrobce lithiových baterií a pedagog ebike. Napsal několik knih, včetně DIY Lithium Batteries a The Ultimate DIY Ebike Guide. Když se zrovna neprohání po Tel Avivu nebo Floridě na svých ebikech, pravděpodobně ho najdete, jak čte, píše, běhá nebo večí na gauči.