리튬은 주기율표에서 가장 작고 반응성이 뛰어난 금속입니다. 이 작은 크기는 높은 용량 밀도로 인정받으며, 소비자와 기술자들 사이에서 인기가 있습니다. 그러나 그의 높은 반응성 화학적 특성은 중대한 위험을 초래할 수 있습니다. 리튬 금속은 공기에 노출될 때 산소와 강력한 산화 반응을 일으켜 폭발을 초래할 수 있습니다. 안전성과 전압을 향상시키기 위해 과학자들은 흑연 및 리튬 코발트 산화물과 같은 물질의 사용을 발명하여 리튬 원자를 저장합니다. 이러한 물질의 분자 구조는 나노 크기의 저장 격자를 형성하여 리튬 원자를 수용할 수 있습니다. 이 설계는 전지 케이스가 파열되고 산소가 들어가더라도 큰 산소 분자가 이 작은 저장 격자로 들어갈 수 없게 하여 리튬 원자와 산소가 접촉하는 것을 방지하여 폭발을 막습니다. 이러한 리튬이온 전지의 원리는 안전을 달성하면서도 높은 용량 밀도를 가능하게 합니다.
리튬이온 전지 충전 중에는 양극에서 리튬 원자가 전자를 잃고 리튬 이온으로 산화됩니다. 이 리튬 이온은 전해질을 통해 음극으로 이동하여 거기의 저장 격자에 들어가 전자를 얻어 리튬 원자로 환원됩니다. 방전 과정에서는 이 과정이 반대로 진행됩니다. 양극과 음극 간의 직접 접촉과 단락을 방지하기 위해 전지 내부에는 많은 미세한 구멍이 있는 분리막이 추가됩니다. 좋은 분리막은 전지 온도가 너무 높아질 때 이러한 구멍을 자동으로 닫아 리튬 이온이 통과하지 못하게 하여 전지를 위험에서 면하게 합니다.
배터리 셀이 4.2V보다 높은 전압으로 과충전될 때, 부가 반응이 시작됩니다. 과충전 전압이 높을수록 위험이 커집니다. 리튬 배터리 셀 전압이 4.2V를 초과하면 양극재 물질에 남아 있는 리튬 원자 수가 절반 미만이 되며, 저장 격자는 종종 붕괴되어 영구적인 용량 감소를 초래할 수 있습니다. 충전이 계속되면, 음극재의 저장 격자는 이미 리튬 원자로 가득 차 있으므로 후속 리튬 금속이 음극재 표면에 축적됩니다. 이 리튬 원자는 음극재 표면에서 리튬 이온 방향으로 덴드라이트 결정체를 성장시킬 수 있습니다. 이 리튬 금속 덴드라이트는 분리막을 관통하여 양극과 음극 사이에 단락을 일으킬 수 있습니다. 때로는 단락이 발생하기 전에 배터리가 폭발할 수 있습니다. 과충전 과정에서 전해질과 기타 물질이 분해되어 가스를 생성할 수 있으며, 이로 인해 배터리 케이스나 압력밸브가 부풀어 오르거나 파열될 수 있습니다. 이는 산소가 들어와 음극재 표면에 축적된 리튬 원자와 반응하여 폭발을 일으킬 수 있습니다. 따라서 리튬이온 배터리를 충전할 때 배터리의 장수, 용량 및 안전성을 보장하기 위해 상한 전압 제한을 설정하는 것이 중요합니다. 이상적인 최대 충전 전압은 4.2V입니다.
리튬 셀을 방전할 때는 하한 전압 제한도 필요합니다. 셀 전압이 2.4V 아래로 떨어지면 일부 물질이 손상될 수 있습니다. 배터리는 자기 방전을 갖고 있으므로 방전이 길어질수록 전압이 낮아집니다. 따라서 중단하기 전에 2.4V까지 방전하는 것이 좋지 않습니다. 리튬이온 배터리의 방전 범위가 3.0V에서 2.4V로 이루어질 때 방출되는 에너지는 배터리 용량의 약 3%에 불과합니다. 따라서 방전을 위한 이상적인 절단 전압은 3.0V입니다.
전압 제한 외에도 충전 및 방전 중 전류 제한이 필요합니다. 전류가 너무 높을 경우 리튬 이온이 저장 격자에 시간 내에 들어오지 못하고 물질 표면에 축적됩니다. 이 리튬 이온이 전자를 얻은 후 리튬 원자 결정이 물질 표면에 나타납니다. 이는 과충전과 유사하게 위험할 수 있습니다. 배터리 케이스가 파열될 경우 폭발이 발생할 수 있습니다.
따라서 리튬이온 배터리의 보호에는 충전 전압 상한, 방전 전압 하한, 전류 상한 세 가지 측면이 최소한 포함되어야 합니다. 일반적으로 리튬이온 배터리 셀 외에도 이 세 가지 보호를 제공하기 위해 보호 회로 기판이 리튬이온 배터리 팩에 포함됩니다. 그러나 이러한 보호 회로 기판의 세 가지 보호만으로는 충분하지 않으며, 전 세계적으로 리튬이온 배터리 폭발 사건이 계속 발생하고 있으므로 배터리 시스템의 안전성을 보장하기 위해 배터리 폭발 원인에 대해 보다 신중한 분석이 필요합니다.
1. 중요한 내부 편편화!
2. 전극 탭이 수분을 흡수하여 전해질과 반응하여 부풀어 오르게 만듭니다.
3. 전해질의 품질과 성능에 문제가 있습니다.
4. 충전 과정에서 추가된 전해질의 양이 필요한 사양을 충족하지 못합니다.
5. 조립 과정 중 레이저 용접의 봉인 성능이 나쁘게 되어 누출이 발생하거나 누출 검출에 실패합니다.
6. 미지의 이유로 먼저 마이크로 단락 회로를 유발할 수 있는 먼지 입자가 있습니다.
7. 양극 및 음극 탭이 공정 사양보다 두꺼워서 케이싱에 삽입하기 어려워집니다.
8. 전해질 충전 구멍의 밀폐 문제로 인해 스틸 볼의 밀폐 성능이 좋지 않아 부풀어 오를 수 있습니다.
9. 제공된 케이싱 재료의 두께 변동이 발생할 수 있으며, 이는 케이싱의 두께에 영향을 미칠 수 있습니다.
배터리 셀 폭발 유형은 외부 단락, 내부 단락 및 과충전으로 요약할 수 있습니다. 여기서 "외부"란 배터리 팩 내부의 절연 설계 미흡으로 인한 단락을 포함합니다.
외부 단락이 발생하고 전자 부품이 회로를 중단하지 못하면 배터리 셀 내부에서 고온이 발생하여 일부 전해질이 증발하고 배터리 케이싱이 팽창할 수 있습니다. 배터리의 내부 온도가 135도 섭씨에 도달하면 고품질 분리막이 모공을 닫아 전기화학 반응을 중지하거나 거의 중지시키면서 전류가 급격히 감소하고 온도가 점진적으로 낮아지면서 폭발을 방지합니다. 그러나 모공 닫힘률이 너무 낮거나 모공이 전혀 닫히지 않으면 배터리 온도가 계속 상승하여 더 많은 전해질이 증발하고 결국 배터리 케이싱이 파열될 수 있으며, 재료의 연소와 폭발을 초래할 수 있습니다.
내부 단락은 주로 구리 및 알루미늄 호일 섬유가 분리막을 관통하거나 리튬 금속 덴드라이트가 분리막을 통해 관통하여 발생합니다. 이 작은 금속 바늘은 마이크로 단락을 일으킬 수 있습니다. 바늘은 얇고 특정 저항 값을 가지므로 전류가 높지 않을 수 있습니다. 구리 및 알루미늄 호일 섬유는 생산 과정에서 발생하며, 배터리 셀 제조업체나 조립 공장에서 누출로 인식되어 배터리가 너무 빠르게 누출됩니다. 또한 호일의 미세함 때문에 때로는 연소될 수 있어 배터리가 정상 상태로 돌아갈 수 있습니다. 따라서 모서리 마이크로 단락으로 인한 폭발 가능성은 높지 않습니다.
이 설명은 다양한 배터리 셀 공장에서 충전 직후 전압이 낮은 불량 배터리가 종종 발생하는 통계적으로 지원됩니다. 따라서 내부 단락으로 인한 폭발은 주로 과충전 때문입니다. 과충전 후 전극은 바늘 모양의 리튬 금속 결정으로 덮여 있어 전체적으로 마이크로 단락이 발생합니다. 결과적으로 배터리 온도가 점진적으로 증가하고 마침내 고온에서 재료가 연소되거나 케이싱이 먼저 파열되어 공기가 들어오고 리튬 금속과 격렬하게 반응하여 폭발할 수 있습니다.
그러나 이러한 과충전 및 내부 단락으로 인한 폭발은 반드시 충전 중에 발생하는 것은 아닙니다. 배터리 온도가 재료를 연소시키기에 충분히 높지 않을 수 있으며 생성된 가스가 배터리 케이싱을 파열시키지 않을 수 있습니다. 이 경우 여러 마이크로 단락으로 인해 발열이 지속적으로 증가하고 일정 기간 후 폭발이 발생할 수 있습니다. 소비자들의 공통적인 설명은 전화기를 집어 들었을 때 전화기가 매우 뜨거웠다는 것이며, 버려진 후 폭발했다는 것입니다.
위의 폭발 유형을 통합하면 과충전 방지, 외부 단락 방지 및 배터리 셀의 안전성을 강화하는 데 집중할 수 있습니다. 과충전 및 외부 단락 방지는 전자 보호와 관련이 있으며, 배터리 시스템의 설계 및 조립과 밀접하게 관련되어 있습니다. 배터리 셀의 안전성 강화는 화학적 및 기계적 보호에 중점을 두며, 배터리 셀 제조 공장과 밀접하게 관련이 있습니다.
전 세계적으로 수십억 대의 휴대폰이 존재하는 상황에서 안전을 달성하기 위해서는 안전 보호의 실패율이 천만 분의 한 미만이어야 합니다. 회로 기판의 실패율이 일반적으로 천만 분의 한보다 높기 때문에 배터리 시스템 설계는 최소 두 개 이상의 안전 방어 라인이 필요합니다. 설계에서 흔히 범하는 실수는 충전기(어댑터)로 배터리 팩을 직접 충전하는 것입니다. 이는 전적으로 배터리 팩의 보호 기판에 과충전 방지 책임을 지우는 것입니다. 보호 기판의 실패율이 높지 않더라도 천 명 중 한 명만이라도 높다면 전 세계적으로 매일 폭발 사고가 발생할 수 있습니다.
배터리 시스템이 과충전, 과방전, 과전류에 대해 두 개의 안전 보호 라인을 제공하고 각 방어 라인의 실패율이 만 명 중 한 명이라면 두 개의 방어 라인은 실패율을 천만 분의 한 이하로 낮출 수 있습니다. 일반 배터리 충전 시스템 블록 다이어그램은 다음과 같이 두 가지 주요 부분을 포함합니다: 충전기와 배터리 팩. 충전기는 어댑터와 충전 컨트롤러로 구성됩니다. 어댑터는 교류를 직류로 변환하며, 충전 컨트롤러는 직류의 최대 전류와 전압을 제한합니다. 배터리 팩에는 보호 기판과 배터리 셀, 그리고 최대 전류를 제한하는 PTC(양온도계) 장치가 포함됩니다.
휴대폰 배터리 시스템을 예로 들면, 과충전에 대한 첫 번째 방어 라인은 충전기의 출력 전압을 약 4.2V로 설정하여, 보호 기판이 실패하더라도 배터리가 과충전되지 않고 위험하지 않도록 합니다. 두 번째 방어 라인은 보호 기판의 과충전 보호 기능으로, 일반적으로 4.3V로 설정됩니다. 이는 보호 기판이 일반적으로 충전기 전압이 비정상적으로 높을 때만 작동하고 충전 전류를 차단하지 않아도 됨을 의미합니다. 과전류 보호는 보호 기판과 퓨즈의 책임입니다. 퓨즈는 과전류와 외부 단락을 방지하기 위해 두 개의 방어 라인을 제공합니다. 과방전은 전자 제품 사용 중에만 발생하므로, 첫 번째 방어 라인은 일반적으로 제품의 회로 기판에서 제공되며, 배터리 팩의 보호 기판은 두 번째 방어 라인을 제공합니다. 전자 제품이 공급 전압이 3.0V보다 낮다고 감지하면 자동으로 종료해야 합니다. 이 기능이 없는 제품의 경우, 보호 기판은 전압이 2.4V로 내려갈 때 방전 회로를 차단합니다.
요약하면 배터리 시스템을 설계할 때 과충전, 과방전, 과전류에 대한 두 개의 전자 보호 라인을 제공하는 것이 중요합니다. 보호 기판은 두 번째 방어 라인입니다. 보호 기판을 제거한 후 배터리가 충전 중에 폭발한다면 설계가 부족한 것입니다.
위 방법은 두 개의 보호 라인을 제공하지만, 소비자들은 종종 원래 충전기가 고장 난 후 비정품 충전기를 구매하여 기기를 충전합니다. 충전기 제조업체는 비용을 고려하여 충전 컨트롤러를 생략하는 경우가 많습니다. 그 결과, 많은 저급 충전기가 시장을 덮치며, 과충전에 대한 첫 번째 및 가장 중요한 방어 라인이 훼손되었습니다. 과충전은 배터리 폭발 사건을 유발하는 가장 중요한 요인이므로, 저급 충전기는 배터리 폭발 사고의 주요 원인으로 볼 수 있습니다.
일부 경우에는 배터리 팩에 충전 컨트롤러가 포함될 수도 있습니다. 예를 들어, 많은 노트북 외부 배터리 막대는 충전 컨트롤러가 있습니다. 이는 일반적으로 노트북이 충전 컨트롤러를 컴퓨터 자체에 통합하여 사용자에게는 어댑터만 제공하기 때문입니다. 따라서 노트북용 외부 배터리 팩은 어댑터를 사용하여 충전할 때 안전을 보장하기 위해 충전 컨트롤러가 필요합니다. 또한 자동차 시가 라이터를 사용하여 충전하는 제품은 때로는 배터리 팩에 충전 컨트롤러를 통합합니다.
모든 전자 보호 조치가 실패할 경우, 최종 방어선은 배터리 셀 자체에서 제공되어야 합니다. 배터리 셀의 안전 수준은 대략적으로 외부 단락과 과충전을 견딜 수 있는 능력으로 구분될 수 있습니다. 배터리가 폭발하기 전에 재료 표면에 리튬 원자가 축적된 경우, 폭발력이 더욱 강해질 수 있습니다. 또한, 소비자들이 저급 충전기를 사용함으로 인해 과충전에 대한 보호가 종종 하나의 방어 라인으로 축소됩니다. 따라서 배터리 셀이 과충전에 대한 저항력보다 외부 단락에 대한 저항력이 더 중요합니다.
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