लिथियम बैटरी सुरक्षा तकनीक को तीन पहलुओं से समझें: सामग्री, डिजाइन और प्रक्रिया
लिथियम-आयन बैटरियों के खतरे
लिथियम-आयन बैटरियां अपनी रासायनिक विशेषताओं और प्रणाली संरचना के कारण संभावित रूप से खतरनाक रासायनिक ऊर्जा स्रोत हैं।
(1). उच्च रासायनिक गतिविधि
लिथियम तत्वों की आवर्त सारणी के दूसरे आवर्त में समूह I का एक मुख्य तत्व है और इसके रासायनिक गुण अत्यंत सक्रिय हैं।
(2) उच्च ऊर्जा घनत्व
लिथियम-आयन बैटरियों में अत्यधिक उच्च विशिष्ट ऊर्जा होती है (140 Wh/kg से अधिक या बराबर), निकेल-कैडमियम और निकेल-हाइड्रोजन जैसी द्वितीयक बैटरियों की तुलना में कई गुना अधिक। थर्मल रनवे प्रतिक्रिया से गर्मी निकलती है और असुरक्षित व्यवहार हो सकता है।
(3). कार्बनिक इलेक्ट्रोलाइट सिस्टम का उपयोग करना
कार्बनिक इलेक्ट्रोलाइट सिस्टम का कार्बनिक विलायक हाइड्रोकार्बन है, जिसका अपघटन वोल्टेज कम होता है और ऑक्सीकरण के लिए प्रवण होता है। विलायक भी ज्वलनशील होता है; रिसाव होने पर बैटरी आग पकड़ लेगी, जल जाएगी या फट जाएगी।
(4). साइड रिएक्शन की उच्च संभावना
लिथियम-आयन बैटरी के सामान्य उपयोग के दौरान, रासायनिक सकारात्मक प्रतिक्रियाएँ जिसमें विद्युत और रासायनिक ऊर्जा एक दूसरे में परिवर्तित होती हैं, आंतरिक रूप से की जाती हैं। हालाँकि, कुछ स्थितियों में, जैसे कि ओवरचार्जिंग, ओवर-डिस्चार्जिंग या ओवर-करंट ऑपरेशन, बैटरी के अंदर रासायनिक साइड रिएक्शन होना आसान है। जब यह साइड रिएक्शन तीव्र हो जाता है, तो यह बैटरी के प्रदर्शन और सेवा जीवन को गंभीर रूप से प्रभावित करेगा। बड़ी मात्रा में गैस का उत्पादन हो सकता है, जिससे बैटरी के अंदर दबाव तेजी से बढ़ सकता है और फिर विस्फोट हो सकता है और आग लग सकती है, जिससे सुरक्षा संबंधी समस्याएँ पैदा हो सकती हैं।
(5). इलेक्ट्रोड सामग्री की संरचना अस्थिर है
लिथियम-आयन बैटरी की ओवरचार्जिंग प्रतिक्रिया कैथोड सामग्री की संरचना को बदल देगी, जिससे सामग्री में एक मजबूत ऑक्सीकरण प्रभाव होगा और इलेक्ट्रोलाइट में विलायक को मजबूत ऑक्सीकरण से गुजरना होगा। यह प्रभाव अपरिवर्तनीय है, और यदि प्रतिक्रिया के कारण उत्पन्न गर्मी जमा हो जाती है, तो थर्मल भगोड़ा का खतरा होता है।
लिथियम-आयन बैटरी उत्पादों में सुरक्षा मुद्दों के कारणों का विश्लेषण
लिथियम-आयन बैटरी उत्पादों के औद्योगिक विकास के 30 वर्षों के बाद, सुरक्षा प्रौद्योगिकी ने बहुत प्रगति की है, बैटरी में साइड रिएक्शन की घटना को प्रभावी ढंग से नियंत्रित किया है और बैटरी सुरक्षा सुनिश्चित की है। हालाँकि, जैसे-जैसे लिथियम-आयन बैटरियों का उपयोग अधिक से अधिक व्यापक रूप से किया जाता है और उनकी ऊर्जा घनत्व अधिक से अधिक होती जाती है, हाल के वर्षों में विस्फोट और चोट लगने या सुरक्षा खतरों के कारण उत्पाद वापस बुलाने जैसी घटनाएँ अक्सर होती रही हैं। हम लिथियम-आयन बैटरी उत्पादों में सुरक्षा समस्याओं के मुख्य कारणों को इस प्रकार संक्षेप में प्रस्तुत करते हैं:
1. बैटरी कोर सामग्री संबंधी समस्याएं
बैटरी कोर में उपयोग की जाने वाली सामग्रियों में सकारात्मक सक्रिय सामग्री, नकारात्मक सक्रिय सामग्री, विभाजक, इलेक्ट्रोलाइट और शेल आदि शामिल हैं। सामग्रियों का चयन और संयोजित प्रणाली का मिलान बैटरी कोर के सुरक्षा प्रदर्शन को निर्धारित करता है। सकारात्मक और नकारात्मक सक्रिय सामग्रियों और विभाजक सामग्रियों का चयन करते समय, निर्माता ने कच्चे माल की विशेषताओं और मिलान का एक निश्चित मूल्यांकन नहीं किया, जिसके परिणामस्वरूप बैटरी कोशिकाओं की सुरक्षा में अंतर्निहित कमियां हुईं।
2. उत्पादन प्रक्रिया संबंधी मुद्दे
बैटरी सेल के कच्चे माल का कड़ाई से परीक्षण नहीं किया जाता है। उत्पादन का वातावरण खराब है, जिसके कारण उत्पादन में अशुद्धियाँ मिल जाती हैं, जिससे न केवल बैटरी की क्षमता पर बहुत नुकसान होता है, बल्कि बैटरी की सुरक्षा पर भी बहुत प्रभाव पड़ता है; इसके अलावा, यदि इलेक्ट्रोलाइट में बहुत अधिक नमी मिल जाती है, तो बैटरी के आंतरिक दबाव को बढ़ाने के लिए साइड रिएक्शन हो सकते हैं, जिससे सुरक्षा प्रभावित होती है; उत्पादन प्रक्रिया स्तर में सीमाओं के कारण, उत्पाद बैटरी कोशिकाओं की उत्पादन प्रक्रिया के दौरान अच्छी स्थिरता प्राप्त नहीं कर सकता है, जैसे कि इलेक्ट्रोड बेस की खराब समतलता, इलेक्ट्रोड सक्रिय सामग्रियों का गिरना, सक्रिय सामग्रियों में अन्य अशुद्धियों का मिल जाना, कमजोर टैब वेल्डिंग, अस्थिर वेल्डिंग तापमान, पोल के टुकड़ों के किनारों पर गड़गड़ाहट और प्रमुख भागों पर इन्सुलेटिंग टेप का उपयोग न करना, ये सभी बैटरी कोर की सुरक्षा को प्रभावित कर सकते हैं। नकारात्मक प्रभाव।
3. बैटरी कोर डिज़ाइन दोष और कम सुरक्षा प्रदर्शन
संरचनात्मक डिजाइन के संदर्भ में, सुरक्षा पर प्रभाव डालने वाले कई प्रमुख बिंदुओं को निर्माताओं द्वारा गंभीरता से नहीं लिया जाता है, जैसे कि प्रमुख भागों में इन्सुलेट टेप की अनुपस्थिति, विभाजक डिजाइन में कोई मार्जिन या अपर्याप्त मार्जिन नहीं छोड़ना, सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड क्षमता अनुपात डिजाइन अनुचित है, और सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड गतिविधि सामग्री क्षेत्र अनुपात डिजाइन अनुचित है, टैब लंबाई डिजाइन अनुचित है, आदि, जो बैटरी की सुरक्षा के लिए छिपे हुए खतरों को पैदा कर सकते हैं। इसके अलावा, बैटरी कोशिकाओं की उत्पादन प्रक्रिया में, लागत बचाने और प्रदर्शन में सुधार करने के लिए, कुछ बैटरी निर्माता कच्चे माल को बचाने और संपीड़ित करने की कोशिश करते हैं, जैसे कि डायाफ्राम क्षेत्र को कम करना, तांबे की पन्नी और एल्यूमीनियम पन्नी को पतला करना, और दबाव राहत वाल्व और इन्सुलेट टेप का उपयोग नहीं करना आदि, ये बैटरी की सुरक्षा को कम कर देंगे।
4. ऊर्जा घनत्व बहुत अधिक है
बाजार में उच्च क्षमता वाले बैटरी उत्पादों की मांग बढ़ रही है। उत्पाद प्रतिस्पर्धात्मकता बढ़ाने के लिए, निर्माता लिथियम-आयन बैटरी की मात्रा-विशिष्ट ऊर्जा को बढ़ाना जारी रखते हैं, जिससे बैटरी का जोखिम बहुत बढ़ जाता है।
सुरक्षा प्रौद्योगिकी
हालाँकि लिथियम-आयन बैटरियों में कई छिपे हुए खतरे हैं, लेकिन उपयोग की विशिष्ट परिस्थितियों में और कुछ उपायों को अपनाकर, कोशिकाओं में होने वाली साइड रिएक्शन और हिंसक प्रतिक्रियाओं को प्रभावी ढंग से नियंत्रित किया जा सकता है ताकि उनकी सुरक्षा सुनिश्चित की जा सके। निम्नलिखित लिथियम-आयन बैटरियों के लिए कई सामान्य रूप से उपयोग की जाने वाली सुरक्षा तकनीकों का संक्षिप्त परिचय देता है।
उच्च सुरक्षा कारक वाले कच्चे माल का चयन करें
उच्च सुरक्षा कारकों वाले सकारात्मक और नकारात्मक सक्रिय पदार्थ, विभाजक पदार्थ और इलेक्ट्रोलाइट्स का चयन करें।
क) कैथोड सामग्री का चयन
कैथोड सामग्रियों की सुरक्षा मुख्य रूप से निम्नलिखित तीन पहलुओं पर आधारित है:
1. सामग्री की ऊष्मागतिक स्थिरता;
2. सामग्रियों की रासायनिक स्थिरता;
3. पदार्थों के भौतिक गुण।
बी) डायाफ्राम सामग्री का चयन
विभाजक का मुख्य कार्य बैटरी के सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड को अलग करना है ताकि सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड को संपर्क में आने और शॉर्ट सर्किट होने से रोका जा सके। साथ ही, इसमें इलेक्ट्रोलाइट आयनों को गुजरने देने की क्षमता होती है, यानी इसमें इलेक्ट्रॉनिक इन्सुलेशन और आयन चालकता होती है। लिथियम-आयन बैटरी के लिए विभाजक चुनते समय निम्नलिखित बिंदुओं पर ध्यान दिया जाना चाहिए:
1. इसमें इलेक्ट्रॉनिक इन्सुलेशन है और यह सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड के यांत्रिक अलगाव को सुनिश्चित करता है;
2. इसमें कम प्रतिरोध और उच्च आयनिक चालकता सुनिश्चित करने के लिए एक निश्चित छिद्र आकार और छिद्रता होती है;
3. डायाफ्राम सामग्री में पर्याप्त रासायनिक स्थिरता होनी चाहिए और इलेक्ट्रोलाइट संक्षारण के लिए प्रतिरोधी होना चाहिए;
4. डायाफ्राम में स्वचालित शटडाउन सुरक्षा का कार्य होना चाहिए;
5. डायाफ्राम का तापीय संकोचन और विरूपण यथासंभव छोटा होना चाहिए;
6 डायाफ्राम की एक निश्चित मोटाई होनी चाहिए;
7 डायाफ्राम में मजबूत भौतिक शक्ति और पंचर के प्रति पर्याप्त प्रतिरोध होना चाहिए।
ग) इलेक्ट्रोलाइट का चयन
इलेक्ट्रोलाइट लिथियम-आयन बैटरियों का एक महत्वपूर्ण घटक है और बैटरी के सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड के बीच करंट को ले जाने और संचालित करने में भूमिका निभाता है। लिथियम-आयन बैटरियों में इस्तेमाल किया जाने वाला इलेक्ट्रोलाइट एक इलेक्ट्रोलाइट घोल है जो एक कार्बनिक एप्रोटिक मिश्रित विलायक में उपयुक्त लिथियम नमक को घोलकर बनाया जाता है। इसे आमतौर पर निम्नलिखित आवश्यकताओं को पूरा करना चाहिए:
1. अच्छा रासायनिक स्थिरता, इलेक्ट्रोड सक्रिय सामग्री, वर्तमान कलेक्टरों और विभाजकों के साथ कोई रासायनिक प्रतिक्रिया नहीं;
2. अच्छा विद्युत रासायनिक स्थिरता और विस्तृत विद्युत रासायनिक खिड़की;
3 लिथियम आयनों में उच्च चालकता और कम इलेक्ट्रॉनिक चालकता होती है;
4. विस्तृत तरल तापमान रेंज;
5. सुरक्षित, गैर विषैले और पर्यावरण के अनुकूल।
बैटरी सेल के समग्र सुरक्षा डिज़ाइन को मजबूत करना
बैटरी कोर वह कड़ी है जो बैटरी में विभिन्न सामग्रियों को जोड़ती है। यह सकारात्मक इलेक्ट्रोड, नकारात्मक इलेक्ट्रोड, विभाजक, टैब और पैकेजिंग फिल्म को एकीकृत करता है। बैटरी कोर का संरचनात्मक डिजाइन न केवल विभिन्न सामग्रियों के प्रदर्शन को प्रभावित करता है, बल्कि बैटरी के समग्र प्रदर्शन को भी प्रभावित करता है। इलेक्ट्रोकेमिकल प्रदर्शन और सुरक्षा प्रदर्शन का एक महत्वपूर्ण प्रभाव है। सामग्री का चयन और बैटरी कोर का संरचनात्मक डिजाइन आंशिक और समग्र संबंध में हैं। एक उचित संरचनात्मक मॉडल तैयार करने के लिए बैटरी कोर डिजाइन में सामग्री विशेषताओं को जोड़ा जाना चाहिए।
इसके अलावा, लिथियम बैटरी संरचना में कुछ अतिरिक्त सुरक्षा उपकरणों पर भी विचार किया जा सकता है। सामान्य सुरक्षा तंत्र डिज़ाइन में निम्नलिखित शामिल हैं:
1. स्विचिंग तत्वों का उपयोग करते हुए, जब बैटरी के अंदर का तापमान बढ़ता है, तो उसका प्रतिरोध भी उसी के अनुसार बढ़ जाता है। जब तापमान बहुत अधिक होता है, तो बिजली की आपूर्ति स्वचालित रूप से बंद हो जाएगी;
2. एक सुरक्षा वाल्व (बैटरी के शीर्ष पर वेंट छेद) स्थापित करें। जब बैटरी का आंतरिक दबाव एक निश्चित मूल्य तक बढ़ जाता है, तो सुरक्षा वाल्व स्वचालित रूप से अपनी सुरक्षा सुनिश्चित करने के लिए खुल जाएगा।
बैटरी सेल संरचनाओं के सुरक्षा डिज़ाइन के कुछ उदाहरण निम्नलिखित हैं:
क) धनात्मक और ऋणात्मक इलेक्ट्रोड का क्षमता अनुपात और चिप का डिज़ाइन आकार
सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री की विशेषताओं के आधार पर उपयुक्त सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड क्षमता अनुपात का चयन करें। बैटरी कोर के सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड क्षमताओं का अनुपात लिथियम-आयन बैटरी की सुरक्षा से संबंधित एक महत्वपूर्ण कड़ी है। यदि सकारात्मक इलेक्ट्रोड की क्षमता बहुत बड़ी है, तो नकारात्मक इलेक्ट्रोड की सतह पर धात्विक लिथियम जमाव दिखाई देगा, और यदि नकारात्मक इलेक्ट्रोड बहुत बड़ा है, तो बैटरी की क्षमता को अधिक नुकसान होगा। आम तौर पर, N/P=1.05~1.15 और वास्तविक बैटरी क्षमता और सुरक्षा आवश्यकताओं के आधार पर उचित चयन किए जाते हैं। टुकड़े का आकार इस तरह से डिज़ाइन करें कि नकारात्मक इलेक्ट्रोड पेस्ट (सक्रिय सामग्री) की स्थिति सकारात्मक इलेक्ट्रोड पेस्ट की स्थिति को कवर करे (उससे बड़ी हो)। आम तौर पर, चौड़ाई 1 से 5 मिमी बड़ी होनी चाहिए और लंबाई 5 से 10 मिमी बड़ी होनी चाहिए।
बी) डायाफ्राम चौड़ाई के लिए भत्ता
विभाजक चौड़ाई डिजाइन का समग्र सिद्धांत सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड के बीच सीधे संपर्क के कारण आंतरिक शॉर्ट सर्किट को रोकना है। बैटरी की चार्जिंग और डिस्चार्जिंग प्रक्रिया के दौरान और थर्मल शॉक और अन्य वातावरण में विभाजक के थर्मल संकोचन के कारण, विभाजक लंबाई और चौड़ाई दिशाओं में विकृत हो जाएगा, और विभाजक झुर्रीदार क्षेत्र सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड के बीच बढ़ी हुई दूरी के कारण ध्रुवीकरण को बढ़ाता है; विभाजक का फैला हुआ क्षेत्र विभाजक के पतले होने के कारण माइक्रो शॉर्ट सर्किट की संभावना को बढ़ाता है; विभाजक किनारे क्षेत्र के संकोचन से सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड सीधे संपर्क के कारण आंतरिक शॉर्ट सर्किट हो सकता है, जिससे बैटरी थर्मल रनवे के कारण खतरे में पड़ जाएगी। इसलिए, बैटरी डिजाइन करते समय, क्षेत्र और चौड़ाई का उपयोग करते समय विभाजक की संकोचन विशेषताओं पर विचार किया जाना चाहिए
ग) इन्सुलेशन उपचार
आंतरिक शॉर्ट सर्किट लिथियम-आयन बैटरी के सुरक्षा खतरे में एक महत्वपूर्ण कारक है। बैटरी सेल के संरचनात्मक डिजाइन में, कई संभावित खतरनाक हिस्से आंतरिक शॉर्ट सर्किट का कारण बन सकते हैं। इसलिए, असामान्य परिस्थितियों में आंतरिक शॉर्ट सर्किट की घटना को रोकने के लिए इन प्रमुख स्थानों पर आवश्यक उपाय या इन्सुलेशन स्थापित किया जाना चाहिए। यदि बैटरी के भीतर शॉर्ट सर्किट होता है, उदाहरण के लिए, सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड कानों के बीच एक आवश्यक दूरी रखें; बीच में पेस्ट के बिना परिष्करण एकल पक्ष पर इन्सुलेटिंग टेप लागू करें, और सभी उजागर भागों को कवर करें; सकारात्मक एल्यूमीनियम पन्नी और नकारात्मक सक्रिय सामग्री के बीच इन्सुलेटिंग टेप लागू करें; आवेदन इन्सुलेटिंग टेप टैब के सभी वेल्डिंग भागों को कवर करता है; इन्सुलेटिंग टेप का उपयोग बैटरी कोर के शीर्ष पर किया जाता है।
घ) सुरक्षा वाल्व (दबाव राहत उपकरण) स्थापित करें
लिथियम-आयन बैटरियाँ अक्सर खतरे में होती हैं क्योंकि आंतरिक तापमान या दबाव बहुत अधिक होता है, जिससे विस्फोट या आग लग सकती है; उचित दबाव राहत उपकरण स्थापित करने से खतरा होने पर बैटरी के अंदर दबाव और गर्मी को जल्दी से छोड़ा जा सकता है, जिससे विस्फोट का खतरा कम हो जाता है। सामान्य संचालन के दौरान बैटरी के आंतरिक दबाव को पूरा करने के लिए एक उचित दबाव राहत उपकरण की आवश्यकता होती है और जब आंतरिक दबाव खतरनाक सीमा तक पहुँच जाता है तो दबाव छोड़ने के लिए स्वचालित रूप से खुल जाता है। दबाव राहत उपकरण की स्थिति निर्धारित करते समय, बैटरी शेल के आंतरिक दबाव में वृद्धि के प्रभाव पर विचार करने की आवश्यकता होती है। विरूपण विशेषताओं के आधार पर डिज़ाइन किए गए, सुरक्षा वाल्वों को लैमेला, किनारों, सीम और पायदानों के माध्यम से डिज़ाइन किया जा सकता है।
प्रौद्योगिकी स्तर में सुधार
बैटरी सेल उत्पादन प्रक्रिया को मानकीकृत करने के प्रयास किए जाने चाहिए। मिश्रण, कोटिंग, बेकिंग, कॉम्पैक्टिंग, स्लिटिंग और वाइंडिंग के चरणों में मानकीकरण (जैसे डायाफ्राम की चौड़ाई, इलेक्ट्रोलाइट इंजेक्शन की मात्रा, आदि) और प्रक्रिया के तरीकों में सुधार (जैसे कम दबाव इंजेक्शन विधि, केन्द्रापसारक लोडिंग, आदि शेल विधि, आदि), प्रक्रिया नियंत्रण में अच्छा काम करें, प्रक्रिया की गुणवत्ता सुनिश्चित करें और उत्पादों के बीच अंतर को कम करें; सुरक्षा पर प्रभाव डालने वाले प्रमुख चरणों में विशेष प्रक्रिया चरणों को स्थापित करें (जैसे इलेक्ट्रोड प्लेट को डीबरिंग करना, पाउडर को स्वीप करना और विभिन्न सामग्रियों के लिए अलग-अलग वेल्डिंग विधियों का उपयोग करना) विधियाँ, आदि), मानकीकृत गुणवत्ता निगरानी को लागू करें, दोषपूर्ण भागों को हटाएँ और दोषपूर्ण उत्पादों को बाहर करें (जैसे पोल पीस विरूपण, डायाफ्राम पंचर, सक्रिय सामग्री का गिरना, इलेक्ट्रोलाइट रिसाव, आदि); उत्पादन स्थल को साफ-सुथरा रखें और उत्पादन के दौरान अशुद्धियों और नमी के मिश्रण को रोकने और उत्पादन के दौरान सुरक्षा पर दुर्घटनाओं के प्रभाव को कम करने के लिए 5S प्रबंधन और 6 - सिग्मा गुणवत्ता नियंत्रण को लागू करें।
