Warum und wie explodieren Li-Ionen-Batterien?

  • Dec 14, 2020

Ein ernstes Problem bei Li-Ionen-Batterien ist die Explosionsgefahr in kritischen Situationen. In diesem Zusammenhang ist es interessant zu verstehen, warum dies geschieht und welche Auswirkungen damit einhergehen. Es ist auch wichtig zu verstehen, was getan werden muss, um die Brandgefahr für ein mit einer solchen Batterie ausgestattetes Gerät zu verringern (Foto unten).

Das Wesentliche des Problems

Es ist leichter zu verstehen, warum ein Brand aufgetreten ist, wenn das Batteriedesign bekannt ist. Beginnen wir mit der Tatsache, dass Li-Ionen-Batterien eine Anode und eine Kathode mit einer porösen Trennwand enthalten. Als Kathode werden üblicherweise Metalle aus der Übergangsgruppe mit eingebetteten Lithiumionen verwendet. Die Funktion der Anode wird von Graphit wahrgenommen.

Elektrolyte für Batterien dieser Klasse werden auf Basis von Lithiumsalzen in Lösung hergestellt. Wenn eine Batterie während der Produktion zum ersten Mal geladen wird, bildet sich auf der Anode eine freie Ionenschicht (SEI). Die chemische Barriere, die sie bilden, schützt die Batterieelektroden vor gefährlichem Kontakt mit Elektrolyt.

In den meisten bekannten Situationen tritt eine spontane Verbrennung aufgrund eines versehentlichen Kurzschlusses in der Batteriezelle auf.

Der Grund für sein Auftreten kann sein:

  • Mechanische Verformung möglich, nachdem das Telefon auf den Boden gefallen ist oder auf eine harte Oberfläche gestoßen ist.
  • Herstellungsfehler.
  • Wachstum von Dendriten.

Das letztere Phänomen ist mit schnellen Entlade- oder Ladeprozessen verbunden, aufgrund derer Lithiumionen einfach keine Zeit haben, sich in die Kristalle der Graphitanode zu integrieren. Infolgedessen wachsen sie zu einer Größe, die zum Ausfall des Separators führt.

Merkmale der Selbstentzündung

Ein Kurzschluss in der Batterie führt zur Erwärmung ihrer Komponenten, und bei Erreichen von 70 bis 90 Grad wird die Ionenbarriere im Bereich der Anode zerstört. Aus diesem Grund beginnt das integrierte Lithium mit dem Elektrolyten in Kontakt zu kommen, wodurch Gase aus der Gruppe der Kohlenwasserstoffe (Methan und dergleichen) freigesetzt werden. In Gegenwart eines explosiven Gemisches bleibt es für die für die Zündung notwendige Hauptkomponente - Sauerstoff.

Die resultierende Mischung beginnt in einem dicht verschlossenen Gehäuse zu kochen, was unweigerlich zu einem Temperatur- und Drucksprung führt. Wenn die Zusammensetzung einen kritischen Zustand erreicht (plus 180-200 Grad), beginnen die Kathodenteilchen, die Reaktion mit reichlich Sauerstoffentwicklung zu unterstützen. Zu diesem Zeitpunkt kam es zu einer Explosion, die von einem plötzlichen Temperaturanstieg (bis zu 300-600 Grad) und einer reichlichen Wärmeabgabe begleitet wurde.

So schützen Sie sich vor einem explosiven Prozess

Batteriehersteller bieten nach dem Prinzip mehrere Schutzstufen gegen unangenehme Auswirkungen: Je leistungsfähiger das Modell ist, desto höher sind diese Stufen. Einer von ihnen enthält einen Abscheider, der eine unüberwindbare Barriere gegen die Entwicklung von Dendriten im Batterieteil bei einem starken Temperatursprung bildet. Wenn jedoch ein Lawinen-ähnlicher Prozess auftritt, hat der Separator keine Zeit zum "Arbeiten". es schmilzt sofort.

Sie haben auch spezielle Ventile und Sicherungen zum Schutz der Batterien. Der Benutzer kann die beschriebenen unangenehmen Auswirkungen vermeiden, wenn er sein Gerät vorsichtig behandelt (nicht fallen lassen und richtig aufladen).