లిథియం బ్యాటరీ భద్రత

లిథియం బ్యాటరీలు పోర్టబిలిటీ మరియు ఫాస్ట్ ఛార్జింగ్ యొక్క ప్రయోజనాలను కలిగి ఉన్నాయి, కాబట్టి లెడ్-యాసిడ్ బ్యాటరీలు మరియు ఇతర సెకండరీ బ్యాటరీలు ఇప్పటికీ మార్కెట్‌లో ఎందుకు తిరుగుతున్నాయి?
ఖర్చు మరియు వివిధ అప్లికేషన్ ఫీల్డ్‌ల సమస్యలతో పాటు, మరొక కారణం భద్రత.
లిథియం ప్రపంచంలో అత్యంత చురుకైన లోహం.దాని రసాయన లక్షణాలు చాలా చురుకుగా ఉన్నందున, లిథియం మెటల్ గాలికి గురైనప్పుడు, అది ఆక్సిజన్‌తో తీవ్రమైన ఆక్సీకరణ ప్రతిచర్యను కలిగి ఉంటుంది, కాబట్టి ఇది పేలుడు, దహనం మరియు ఇతర దృగ్విషయాలకు గురవుతుంది.అదనంగా, ఛార్జింగ్ మరియు డిశ్చార్జింగ్ సమయంలో లిథియం బ్యాటరీ లోపల రెడాక్స్ ప్రతిచర్య కూడా జరుగుతుంది.పేలుడు మరియు ఆకస్మిక దహనం ప్రధానంగా లిథియం బ్యాటరీని వేడిచేసిన తర్వాత చేరడం, వ్యాప్తి చేయడం మరియు విడుదల చేయడం వల్ల సంభవిస్తాయి.సంక్షిప్తంగా, లిథియం బ్యాటరీలు ఛార్జింగ్ మరియు డిశ్చార్జింగ్ ప్రక్రియలో చాలా వేడిని ఉత్పత్తి చేస్తాయి, ఇది బ్యాటరీ యొక్క అంతర్గత ఉష్ణోగ్రత మరియు వ్యక్తిగత బ్యాటరీల మధ్య అసమాన ఉష్ణోగ్రత పెరుగుదలకు దారి తీస్తుంది, తద్వారా బ్యాటరీ యొక్క అస్థిర పనితీరుకు కారణమవుతుంది.
థర్మల్ రన్‌అవే లిథియం-అయాన్ బ్యాటరీ యొక్క అసురక్షిత ప్రవర్తనలు (బ్యాటరీ ఓవర్‌ఛార్జ్ మరియు ఓవర్ డిశ్చార్జ్, శీఘ్ర ఛార్జ్ మరియు డిశ్చార్జ్, షార్ట్ సర్క్యూట్, మెకానికల్ దుర్వినియోగ పరిస్థితులు, అధిక ఉష్ణోగ్రత థర్మల్ షాక్ మొదలైనవి) బ్యాటరీ లోపల ప్రమాదకరమైన దుష్ప్రభావాలను ప్రేరేపించి వేడిని ఉత్పత్తి చేసే అవకాశం ఉంది, ప్రతికూల ఎలక్ట్రోడ్ మరియు పాజిటివ్ ఎలక్ట్రోడ్ ఉపరితలంపై నిష్క్రియ చలనచిత్రాన్ని నేరుగా దెబ్బతీస్తుంది.
లిథియం అయాన్ బ్యాటరీల యొక్క థర్మల్ రన్అవే ప్రమాదాలను ప్రేరేపించడానికి అనేక కారణాలు ఉన్నాయి.ట్రిగ్గరింగ్ యొక్క లక్షణాల ప్రకారం, దీనిని యాంత్రిక దుర్వినియోగం ట్రిగ్గరింగ్, విద్యుత్ దుర్వినియోగం ప్రేరేపించడం మరియు ఉష్ణ దుర్వినియోగం ట్రిగ్గరింగ్‌గా విభజించవచ్చు.యాంత్రిక దుర్వినియోగం: వాహనం ఢీకొనడం వల్ల ఆక్యుపంక్చర్, ఎక్స్‌ట్రాషన్ మరియు భారీ వస్తువు ప్రభావాన్ని సూచిస్తుంది;విద్యుత్ దుర్వినియోగం: సాధారణంగా సరికాని వోల్టేజ్ నిర్వహణ లేదా ఎలక్ట్రికల్ కాంపోనెంట్ వైఫల్యం, షార్ట్ సర్క్యూట్, ఓవర్‌ఛార్జ్ మరియు ఓవర్ డిశ్చార్జితో సహా;వేడి దుర్వినియోగం: సరికాని ఉష్ణోగ్రత నిర్వహణ వల్ల వేడెక్కడం వల్ల ఏర్పడుతుంది.

ఈ మూడు ట్రిగ్గరింగ్ పద్ధతులు పరస్పరం సంబంధం కలిగి ఉంటాయి.యాంత్రిక దుర్వినియోగం సాధారణంగా బ్యాటరీ డయాఫ్రాగమ్ యొక్క వైకల్పనానికి లేదా చీలికకు కారణమవుతుంది, ఫలితంగా బ్యాటరీ మరియు షార్ట్ సర్క్యూట్ యొక్క సానుకూల మరియు ప్రతికూల ధ్రువాల మధ్య ప్రత్యక్ష సంబంధం ఏర్పడుతుంది, ఫలితంగా విద్యుత్ దుర్వినియోగం జరుగుతుంది;అయితే, విద్యుత్ దుర్వినియోగం పరిస్థితిలో, జూల్ హీట్ వంటి ఉష్ణ ఉత్పత్తి పెరుగుతుంది, దీని వలన బ్యాటరీ ఉష్ణోగ్రత పెరుగుతుంది, ఇది ఉష్ణ దుర్వినియోగంగా అభివృద్ధి చెందుతుంది, బ్యాటరీ లోపల చైన్ టైప్ హీట్ జనరేషన్ సైడ్ రియాక్షన్‌ను మరింత ప్రేరేపిస్తుంది మరియు చివరకు సంభవించడానికి దారితీస్తుంది. బ్యాటరీ హీట్ రన్అవే.
బ్యాటరీ యొక్క ఉష్ణ ఉత్పాదక రేటు వేడి వెదజల్లే రేటు కంటే చాలా ఎక్కువగా ఉండటం వలన బ్యాటరీ థర్మల్ రన్అవే ఏర్పడుతుంది, మరియు వేడి పెద్ద మొత్తంలో పేరుకుపోతుంది కానీ సమయానికి వెదజల్లదు.సారాంశంలో, “థర్మల్ రన్‌అవే” అనేది సానుకూల శక్తి ఫీడ్‌బ్యాక్ సైకిల్ ప్రక్రియ: పెరుగుతున్న ఉష్ణోగ్రత సిస్టమ్‌ను వేడిగా మార్చడానికి కారణమవుతుంది మరియు సిస్టమ్ వేడిగా మారిన తర్వాత ఉష్ణోగ్రత పెరుగుతుంది, ఇది వ్యవస్థను వేడిగా మారుస్తుంది.
థర్మల్ రన్‌అవే ప్రక్రియ: బ్యాటరీ అంతర్గత ఉష్ణోగ్రత పెరిగినప్పుడు, SEI ఫిల్మ్ ఉపరితలంపై ఉన్న SEI ఫిల్మ్ అధిక ఉష్ణోగ్రతలో కుళ్ళిపోతుంది, గ్రాఫైట్‌లో పొందుపరిచిన లిథియం అయాన్ ఎలక్ట్రోలైట్ మరియు బైండర్‌తో చర్య జరిపి, బ్యాటరీ ఉష్ణోగ్రతను మరింత పైకి నెట్టివేస్తుంది. 150 ℃ వరకు, మరియు ఈ ఉష్ణోగ్రత వద్ద కొత్త హింసాత్మక ఎక్సోథర్మిక్ ప్రతిచర్య సంభవిస్తుంది.బ్యాటరీ ఉష్ణోగ్రత 200 ℃ కంటే ఎక్కువగా ఉన్నప్పుడు, కాథోడ్ పదార్థం కుళ్ళిపోతుంది, పెద్ద మొత్తంలో వేడి మరియు వాయువును విడుదల చేస్తుంది మరియు బ్యాటరీ ఉబ్బడం ప్రారంభమవుతుంది మరియు నిరంతరం వేడెక్కుతుంది.లిథియం ఎంబెడెడ్ యానోడ్ 250-350 ℃ వద్ద ఎలక్ట్రోలైట్‌తో చర్య తీసుకోవడం ప్రారంభించింది.చార్జ్ చేయబడిన కాథోడ్ పదార్ధం హింసాత్మక కుళ్ళిపోయే ప్రతిచర్యకు లోనవుతుంది మరియు ఎలక్ట్రోలైట్ హింసాత్మక ఆక్సీకరణ ప్రతిచర్యకు లోనవుతుంది, పెద్ద మొత్తంలో వేడిని విడుదల చేస్తుంది, అధిక ఉష్ణోగ్రత మరియు పెద్ద మొత్తంలో వాయువును ఉత్పత్తి చేస్తుంది, దీని వలన బ్యాటరీ దహనం మరియు పేలుడు ఏర్పడుతుంది.
ఓవర్‌ఛార్జ్ సమయంలో లిథియం డెండ్రైట్ అవపాతం సమస్య: లిథియం కోబాలేట్ బ్యాటరీ పూర్తిగా ఛార్జ్ అయిన తర్వాత, పెద్ద మొత్తంలో లిథియం అయాన్లు పాజిటివ్ ఎలక్ట్రోడ్‌లో ఉంటాయి.అంటే, కాథోడ్ కాథోడ్‌కు జోడించబడిన ఎక్కువ లిథియం అయాన్‌లను కలిగి ఉండదు, కానీ అధిక ఛార్జ్ చేయబడిన స్థితిలో, కాథోడ్‌పై ఉన్న అదనపు లిథియం అయాన్లు ఇప్పటికీ కాథోడ్‌కు ఈదుతూ ఉంటాయి.వాటిని పూర్తిగా కలిగి ఉండలేనందున, కాథోడ్‌పై మెటల్ లిథియం ఏర్పడుతుంది.ఈ మెటల్ లిథియం డెన్డ్రిటిక్ క్రిస్టల్ కాబట్టి, దీనిని డెండ్రైట్ అంటారు.డెండ్రైట్ చాలా పొడవుగా ఉంటే, డయాఫ్రాగమ్‌ను పియర్స్ చేయడం సులభం, దీనివల్ల అంతర్గత షార్ట్ సర్క్యూట్ ఏర్పడుతుంది.ఎలక్ట్రోలైట్ యొక్క ప్రధాన భాగం కార్బోనేట్ కాబట్టి, దాని జ్వలన స్థానం మరియు మరిగే స్థానం తక్కువగా ఉంటుంది, కాబట్టి ఇది అధిక ఉష్ణోగ్రత వద్ద కాలిపోతుంది లేదా పేలిపోతుంది.

ఇది పాలిమర్ లిథియం బ్యాటరీ అయితే, ఎలక్ట్రోలైట్ ఘర్షణగా ఉంటుంది, ఇది మరింత హింసాత్మక దహనానికి గురవుతుంది.ఈ సమస్యను పరిష్కరించడానికి, శాస్త్రవేత్తలు సురక్షితమైన కాథోడ్ పదార్థాలను భర్తీ చేయడానికి ప్రయత్నిస్తారు.లిథియం మాంగనేట్ బ్యాటరీ యొక్క పదార్థం కొన్ని ప్రయోజనాలను కలిగి ఉంది.ఇది సానుకూల ఎలక్ట్రోడ్ యొక్క లిథియం అయాన్‌ను పూర్తిగా ఛార్జ్ స్థితి కింద ప్రతికూల ఎలక్ట్రోడ్ యొక్క కార్బన్ రంధ్రంలోకి పూర్తిగా పొందుపరచగలదని నిర్ధారిస్తుంది, బదులుగా లిథియం కోబాలేట్ వంటి సానుకూల ఎలక్ట్రోడ్‌లో కొన్ని అవశేషాలను కలిగి ఉంటుంది, ఇది కొంతవరకు ఉత్పత్తిని నివారిస్తుంది. డెండ్రైట్స్.లిథియం మాంగనేట్ యొక్క స్థిరమైన నిర్మాణం దాని ఆక్సీకరణ పనితీరును లిథియం కోబాలేట్ కంటే చాలా తక్కువగా చేస్తుంది.బాహ్య షార్ట్ సర్క్యూట్ ఉన్నప్పటికీ (అంతర్గత షార్ట్ సర్క్యూట్ కాకుండా), ఇది ప్రాథమికంగా లిథియం మెటల్ అవపాతం వల్ల సంభవించే దహన మరియు పేలుడును నివారించవచ్చు.లిథియం ఐరన్ ఫాస్ఫేట్ అధిక ఉష్ణ స్థిరత్వం మరియు ఎలక్ట్రోలైట్ యొక్క తక్కువ ఆక్సీకరణ సామర్థ్యాన్ని కలిగి ఉంటుంది, కాబట్టి ఇది అధిక భద్రతను కలిగి ఉంటుంది.
లిథియం అయాన్ బ్యాటరీ యొక్క వృద్ధాప్య క్షీణత సామర్థ్యం క్షీణత మరియు అంతర్గత ప్రతిఘటన పెరుగుదల ద్వారా వ్యక్తమవుతుంది మరియు దాని అంతర్గత వృద్ధాప్య అటెన్యుయేషన్ మెకానిజం సానుకూల మరియు ప్రతికూల క్రియాశీల పదార్థాల నష్టం మరియు అందుబాటులో ఉన్న లిథియం అయాన్ల నష్టాన్ని కలిగి ఉంటుంది.కాథోడ్ పదార్థం వృద్ధాప్యం మరియు క్షీణించినప్పుడు మరియు కాథోడ్ యొక్క సామర్థ్యం సరిపోనప్పుడు, కాథోడ్ నుండి లిథియం పరిణామం సంభవించే ప్రమాదం ఎక్కువగా ఉంటుంది.ఓవర్ డిశ్చార్జ్ పరిస్థితిలో, కాథోడ్ నుండి లిథియం యొక్క సంభావ్యత 3V కంటే ఎక్కువగా ఉంటుంది, ఇది రాగి యొక్క కరిగిపోయే సంభావ్యత కంటే ఎక్కువగా ఉంటుంది, దీని వలన రాగి కలెక్టర్ కరిగిపోతుంది.కరిగిన రాగి అయాన్లు కాథోడ్ ఉపరితలంపై అవక్షేపం చెందుతాయి మరియు కాపర్ డెండ్రైట్‌లను ఏర్పరుస్తాయి.కాపర్ డెండ్రైట్‌లు డయాఫ్రాగమ్ గుండా వెళతాయి, దీని వలన అంతర్గత షార్ట్ సర్క్యూట్ ఏర్పడుతుంది, ఇది బ్యాటరీ యొక్క భద్రతా పనితీరును తీవ్రంగా ప్రభావితం చేస్తుంది.
అదనంగా, వృద్ధాప్య బ్యాటరీల ఓవర్‌ఛార్జ్ నిరోధకత కొంత వరకు తగ్గుతుంది, ప్రధానంగా అంతర్గత నిరోధకత పెరుగుదల మరియు సానుకూల మరియు ప్రతికూల క్రియాశీల పదార్ధాల తగ్గుదల కారణంగా, బ్యాటరీల ఓవర్‌చార్జింగ్ ప్రక్రియలో జూల్ వేడి పెరుగుతుంది.తక్కువ ఓవర్‌ఛార్జ్‌లో, సైడ్ రియాక్షన్‌లు ప్రేరేపించబడవచ్చు, దీని వలన బ్యాటరీల థర్మల్ రన్‌అవే ఏర్పడుతుంది.ఉష్ణ స్థిరత్వం పరంగా, కాథోడ్ నుండి లిథియం పరిణామం బ్యాటరీ యొక్క ఉష్ణ స్థిరత్వంలో పదునైన క్షీణతకు దారి తీస్తుంది.
ఒక్క మాటలో చెప్పాలంటే, వృద్ధాప్య బ్యాటరీ యొక్క భద్రతా పనితీరు బాగా తగ్గిపోతుంది, ఇది బ్యాటరీ యొక్క భద్రతను తీవ్రంగా అపాయం చేస్తుంది.బ్యాటరీ నిర్వహణ వ్యవస్థ (BMS)తో బ్యాటరీ శక్తి నిల్వ వ్యవస్థను అమర్చడం అత్యంత సాధారణ పరిష్కారం.ఉదాహరణకు, టెస్లా మోడల్ Sలో ఉపయోగించిన 8000 18650 బ్యాటరీలు బ్యాటరీ యొక్క వివిధ భౌతిక పారామితుల యొక్క నిజ-సమయ పర్యవేక్షణను గ్రహించగలవు, బ్యాటరీ వినియోగ స్థితిని మూల్యాంకనం చేయగలవు మరియు దాని బ్యాటరీ నిర్వహణ వ్యవస్థ ద్వారా ఆన్‌లైన్ నిర్ధారణ మరియు ముందస్తు హెచ్చరికను నిర్వహించగలవు.అదే సమయంలో, ఇది డిశ్చార్జ్ మరియు ప్రీ ఛార్జ్ కంట్రోల్, బ్యాటరీ బ్యాలెన్స్ మేనేజ్‌మెంట్ మరియు థర్మల్ మేనేజ్‌మెంట్ కూడా చేయగలదు.