લિથિયમ બેટરીની સલામતી

લિથિયમ બેટરીમાં પોર્ટેબિલિટી અને ઝડપી ચાર્જિંગના ફાયદા છે, તો શા માટે લીડ-એસિડ બેટરી અને અન્ય સેકન્ડરી બેટરી હજુ પણ બજારમાં ફરતી હોય છે?
ખર્ચ અને વિવિધ એપ્લિકેશન ક્ષેત્રોની સમસ્યાઓ ઉપરાંત, બીજું કારણ સુરક્ષા છે.
લિથિયમ એ વિશ્વની સૌથી સક્રિય ધાતુ છે.કારણ કે તેની રાસાયણિક લાક્ષણિકતાઓ ખૂબ સક્રિય છે, જ્યારે લિથિયમ ધાતુ હવાના સંપર્કમાં આવે છે, ત્યારે તે ઓક્સિજન સાથે ભીષણ ઓક્સિડેશન પ્રતિક્રિયા ધરાવે છે, તેથી તે વિસ્ફોટ, દહન અને અન્ય ઘટનાઓનું જોખમ ધરાવે છે.આ ઉપરાંત, ચાર્જિંગ અને ડિસ્ચાર્જિંગ દરમિયાન લિથિયમ બેટરીની અંદર રેડોક્સ પ્રતિક્રિયા પણ થશે.વિસ્ફોટ અને સ્વયંસ્ફુરિત દહન મુખ્યત્વે લિથિયમ બેટરી ગરમ કર્યા પછી સંચય, પ્રસરણ અને પ્રકાશનને કારણે થાય છે.ટૂંકમાં, લિથિયમ બેટરી ચાર્જિંગ અને ડિસ્ચાર્જિંગ પ્રક્રિયા દરમિયાન ઘણી ગરમી ઉત્પન્ન કરશે, જે બેટરીના આંતરિક તાપમાનમાં વધારો અને વ્યક્તિગત બેટરીઓ વચ્ચેના અસમાન તાપમાન તરફ દોરી જશે, આમ બેટરીની અસ્થિર કામગીરીનું કારણ બને છે.
થર્મલ રનઅવે લિથિયમ-આયન બેટરીની અસુરક્ષિત વર્તણૂકો (બેટરી ઓવરચાર્જ અને ઓવરડિસ્ચાર્જ, ઝડપી ચાર્જ અને ડિસ્ચાર્જ, શોર્ટ સર્કિટ, યાંત્રિક દુરુપયોગની સ્થિતિ, ઉચ્ચ તાપમાન થર્મલ આંચકો, વગેરે સહિત) બેટરીની અંદર ખતરનાક બાજુ પ્રતિક્રિયાઓ અને ગરમી પેદા કરે છે. નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ અને સકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ સપાટી પરની નિષ્ક્રિય ફિલ્મને સીધું નુકસાન પહોંચાડે છે.
લિથિયમ આયન બેટરીના થર્મલ રનઅવે અકસ્માતોને ટ્રિગર કરવાના ઘણા કારણો છે.ટ્રિગરિંગની લાક્ષણિકતાઓ અનુસાર, તેને યાંત્રિક દુરુપયોગ ટ્રિગરિંગ, ઇલેક્ટ્રિકલ એબ્યુઝ ટ્રિગરિંગ અને થર્મલ એબ્યુઝ ટ્રિગરિંગમાં વિભાજિત કરી શકાય છે.યાંત્રિક દુરુપયોગ: વાહન અથડામણને કારણે એક્યુપંક્ચર, એક્સટ્રુઝન અને ભારે પદાર્થની અસરનો સંદર્ભ આપે છે;ઇલેક્ટ્રિક દુરુપયોગ: સામાન્ય રીતે અયોગ્ય વોલ્ટેજ મેનેજમેન્ટ અથવા ઇલેક્ટ્રિકલ ઘટકોની નિષ્ફળતાને કારણે થાય છે, જેમાં શોર્ટ સર્કિટ, ઓવરચાર્જ અને ઓવરડિસ્ચાર્જનો સમાવેશ થાય છે;ગરમીનો દુરુપયોગ: અયોગ્ય તાપમાન વ્યવસ્થાપનને કારણે વધુ પડતી ગરમીને કારણે થાય છે.

આ ત્રણ ટ્રિગરિંગ પદ્ધતિઓ એકબીજા સાથે સંકળાયેલી છે.યાંત્રિક દુરુપયોગ સામાન્ય રીતે બેટરી ડાયફ્રેમના વિરૂપતા અથવા ભંગાણનું કારણ બને છે, જેના પરિણામે બેટરીના હકારાત્મક અને નકારાત્મક ધ્રુવો અને શોર્ટ સર્કિટ વચ્ચેનો સીધો સંપર્ક થાય છે, પરિણામે વિદ્યુત દુરુપયોગ થાય છે;જો કે, વીજળીના દુરુપયોગની સ્થિતિમાં, જૉલ હીટ જેવી ગરમીનું ઉત્પાદન વધે છે, જેના કારણે બેટરીનું તાપમાન વધે છે, જે ગરમીના દુરુપયોગમાં વિકસે છે, બેટરીની અંદર સાંકળ પ્રકારની હીટ જનરેશન સાઇડ રિએક્શનને વધુ ઉત્તેજિત કરે છે અને છેવટે ઘટના તરફ દોરી જાય છે. બેટરી ગરમી ભાગેડુ.
બેટરી થર્મલ રનઅવે એ હકીકતને કારણે થાય છે કે બેટરીનો હીટ જનરેશન દર ગરમીના વિસર્જન દર કરતા ઘણો વધારે છે, અને ગરમી મોટી માત્રામાં સંચિત થાય છે પરંતુ સમયસર વિખેરી શકાતી નથી.સારમાં, "થર્મલ રનઅવે" એ સકારાત્મક ઉર્જા પ્રતિસાદ ચક્ર પ્રક્રિયા છે: વધતા તાપમાનને કારણે સિસ્ટમ ગરમ થશે, અને સિસ્ટમ ગરમ થયા પછી તાપમાન વધશે, જે બદલામાં સિસ્ટમને વધુ ગરમ બનાવશે.
થર્મલ રનઅવેની પ્રક્રિયા: જ્યારે બેટરીનું આંતરિક તાપમાન વધે છે, ત્યારે SEI ફિલ્મની સપાટી પરની SEI ફિલ્મ ઊંચા તાપમાને વિઘટિત થાય છે, ગ્રેફાઇટમાં જડિત લિથિયમ આયન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ અને બાઈન્ડર સાથે પ્રતિક્રિયા કરશે, બેટરીના તાપમાનને આગળ ધકેલશે. 150 ℃ સુધી, અને આ તાપમાને નવી હિંસક એક્ઝોથર્મિક પ્રતિક્રિયા થશે.જ્યારે બેટરીનું તાપમાન 200 ℃ ઉપર પહોંચે છે, ત્યારે કેથોડ સામગ્રી વિઘટિત થાય છે, જે મોટી માત્રામાં ગરમી અને ગેસ મુક્ત કરે છે, અને બેટરી ફૂંકાવા લાગે છે અને સતત ગરમ થાય છે.લિથિયમ એમ્બેડેડ એનોડ 250-350 ℃ પર ઇલેક્ટ્રોલાઇટ સાથે પ્રતિક્રિયા કરવાનું શરૂ કર્યું.ચાર્જ કરેલ કેથોડ સામગ્રી હિંસક વિઘટન પ્રતિક્રિયામાંથી પસાર થવાનું શરૂ કરે છે, અને ઇલેક્ટ્રોલાઇટ હિંસક ઓક્સિડેશન પ્રતિક્રિયામાંથી પસાર થાય છે, મોટી માત્રામાં ગરમી મુક્ત કરે છે, ઉચ્ચ તાપમાન અને મોટી માત્રામાં ગેસ ઉત્પન્ન કરે છે, જેના કારણે બેટરીનું દહન અને વિસ્ફોટ થાય છે.
ઓવરચાર્જ દરમિયાન લિથિયમ ડેંડ્રાઈટ વરસાદની સમસ્યા: લિથિયમ કોબાલેટ બેટરી સંપૂર્ણ ચાર્જ થઈ ગયા પછી, લિથિયમ આયનોનો મોટો જથ્થો હકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડમાં રહે છે.કહેવાનો અર્થ એ છે કે, કેથોડ કેથોડ સાથે જોડાયેલા વધુ લિથિયમ આયનોને પકડી શકતું નથી, પરંતુ ઓવરચાર્જ્ડ સ્થિતિમાં, કેથોડ પરના વધારાના લિથિયમ આયન હજુ પણ કેથોડમાં તરી જશે.કારણ કે તેઓ સંપૂર્ણપણે સમાવી શકતા નથી, મેટલ લિથિયમ કેથોડ પર રચના કરશે.આ ધાતુ લિથિયમ ડેન્ડ્રીટિક ક્રિસ્ટલ હોવાથી તેને ડેંડ્રાઈટ કહેવામાં આવે છે.જો ડેંડ્રાઇટ ખૂબ લાંબુ હોય, તો ડાયાફ્રેમને વીંધવાનું સરળ છે, જેના કારણે આંતરિક શોર્ટ સર્કિટ થાય છે.ઇલેક્ટ્રોલાઇટનું મુખ્ય ઘટક કાર્બોનેટ હોવાથી, તેનો ઇગ્નીશન પોઇન્ટ અને ઉત્કલન બિંદુ નીચું છે, તેથી તે બળી જશે અથવા ઊંચા તાપમાને વિસ્ફોટ થશે.

જો તે પોલિમર લિથિયમ બેટરી છે, તો ઇલેક્ટ્રોલાઇટ કોલોઇડલ છે, જે વધુ હિંસક દહન માટે સંવેદનશીલ છે.આ સમસ્યાને ઉકેલવા માટે, વૈજ્ઞાનિકો સુરક્ષિત કેથોડ સામગ્રીને બદલવાનો પ્રયાસ કરે છે.લિથિયમ મેંગેનેટ બેટરીની સામગ્રીના ચોક્કસ ફાયદા છે.તે સુનિશ્ચિત કરી શકે છે કે હકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડના લિથિયમ આયનને લિથિયમ કોબાલેટ જેવા હકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડમાં ચોક્કસ અવશેષો રાખવાને બદલે, સંપૂર્ણ ચાર્જ સ્થિતિમાં નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડના કાર્બન છિદ્રમાં સંપૂર્ણપણે એમ્બેડ કરી શકાય છે, જે અમુક અંશે ઉત્પત્તિને ટાળે છે. ડેંડ્રાઇટ્સલિથિયમ મેંગેનેટનું સ્થિર માળખું તેના ઓક્સિડેશન પ્રભાવને લિથિયમ કોબાલેટ કરતાં ઘણું ઓછું બનાવે છે.બાહ્ય શોર્ટ સર્કિટ (આંતરિક શોર્ટ સર્કિટને બદલે) હોય તો પણ, તે મૂળભૂત રીતે લિથિયમ ધાતુના અવક્ષેપને કારણે થતા દહન અને વિસ્ફોટને ટાળી શકે છે.લિથિયમ આયર્ન ફોસ્ફેટ ઉચ્ચ થર્મલ સ્થિરતા અને ઇલેક્ટ્રોલાઇટની ઓછી ઓક્સિડેશન ક્ષમતા ધરાવે છે, તેથી તે ઉચ્ચ સલામતી ધરાવે છે.
લિથિયમ આયન બેટરીનું વૃદ્ધત્વ એટેન્યુએશન ક્ષમતા એટેન્યુએશન અને આંતરિક પ્રતિકાર વધારો દ્વારા પ્રગટ થાય છે, અને તેની આંતરિક વૃદ્ધત્વ એટેન્યુએશન પદ્ધતિમાં હકારાત્મક અને નકારાત્મક સક્રિય સામગ્રીની ખોટ અને ઉપલબ્ધ લિથિયમ આયનોની ખોટનો સમાવેશ થાય છે.જ્યારે કેથોડ સામગ્રી વૃદ્ધ અને ક્ષીણ થઈ જાય છે, અને કેથોડની ક્ષમતા અપૂરતી હોય છે, ત્યારે કેથોડમાંથી લિથિયમ ઉત્ક્રાંતિનું જોખમ વધારે છે.ઓવર ડિસ્ચાર્જની સ્થિતિ હેઠળ, કેથોડથી લિથિયમની સંભવિતતા વધીને 3V થી ઉપર જશે, જે તાંબાની વિસર્જન ક્ષમતા કરતા વધારે છે, જેના કારણે કોપર કલેક્ટરનું વિસર્જન થાય છે.ઓગળેલા કોપર આયનો કેથોડ સપાટી પર અવક્ષેપ કરશે અને કોપર ડેંડ્રાઈટ્સ બનાવશે.કોપર ડેંડ્રાઇટ્સ ડાયાફ્રેમમાંથી પસાર થશે, આંતરિક શોર્ટ સર્કિટનું કારણ બને છે, જે બેટરીની સલામતી કામગીરીને ગંભીર અસર કરે છે.
વધુમાં, વૃદ્ધ બેટરીનો ઓવરચાર્જ પ્રતિકાર અમુક હદ સુધી ઘટશે, મુખ્યત્વે આંતરિક પ્રતિકારમાં વધારો અને હકારાત્મક અને નકારાત્મક સક્રિય પદાર્થોના ઘટાડાને કારણે, બેટરીની ઓવરચાર્જિંગ પ્રક્રિયા દરમિયાન જૌલ ગરમીમાં વધારો થાય છે.ઓછા ઓવરચાર્જિંગ હેઠળ, બાજુની પ્રતિક્રિયાઓ ટ્રિગર થઈ શકે છે, જેના કારણે બેટરીનો થર્મલ ભાગી જાય છે.થર્મલ સ્થિરતાના સંદર્ભમાં, કેથોડમાંથી લિથિયમ ઉત્ક્રાંતિ બેટરીની થર્મલ સ્થિરતામાં તીવ્ર ઘટાડો તરફ દોરી જશે.
એક શબ્દમાં, જૂની બેટરીની સલામતી કામગીરીમાં મોટા પ્રમાણમાં ઘટાડો થશે, જે બેટરીની સલામતીને ગંભીરપણે જોખમમાં મૂકશે.સૌથી સામાન્ય ઉકેલ એ છે કે બેટરી એનર્જી સ્ટોરેજ સિસ્ટમને બેટરી મેનેજમેન્ટ સિસ્ટમ (BMS) વડે સજ્જ કરવી.ઉદાહરણ તરીકે, ટેસ્લા મોડલ એસમાં વપરાતી 8000 18650 બેટરીઓ બેટરીના વિવિધ ભૌતિક પરિમાણોનું રીઅલ-ટાઇમ મોનિટરિંગ કરી શકે છે, બેટરીના ઉપયોગની સ્થિતિનું મૂલ્યાંકન કરી શકે છે અને તેની બેટરી મેનેજમેન્ટ સિસ્ટમ દ્વારા ઓનલાઈન નિદાન અને પ્રારંભિક ચેતવણી આપી શકે છે.તે જ સમયે, તે ડિસ્ચાર્જ અને પ્રી-ચાર્જ કંટ્રોલ, બેટરી બેલેન્સ મેનેજમેન્ટ અને થર્મલ મેનેજમેન્ટ પણ કરી શકે છે.