Lityum Pilin Şişmesinin ve Patlamasının Nedenlerinin Analizi
May 16, 2025Lityum Pilin Şişmesinin ve Patlamasının Nedenlerinin Analizi
Lityum iyon pillerin çalışma prensibi
Lityum, kimyasal periyodik tablodaki en küçük ve en aktif metaldir. Küçük boyutu ve yüksek kapasite yoğunluğu nedeniyle tüketiciler ve mühendisler arasında popülerdir. Ancak kimyasal özellikleri çok aktiftir ve bu da son derece yüksek tehlike getirir. Lityum metal havaya maruz kaldığında oksijenle şiddetli bir oksidasyon reaksiyonu üretecek ve patlayacaktır. Güvenliği ve voltajı artırmak için bilim insanları lityum atomlarını depolamak için grafit ve lityum kobalt oksit gibi malzemeler icat ettiler. Bu malzemelerin moleküler yapısı, lityum atomlarını depolamak için kullanılabilen nano ölçekli küçük depolama ızgaraları oluşturur. Bu şekilde, pil kabuğu kırılsa ve oksijen girse bile, oksijen molekülleri bu küçük depolama ızgaralarına girmek için çok büyüktür, böylece lityum atomları oksijenle temas etmeyecek ve patlamayı önleyecektir. Lityum iyon pillerin bu prensibi, insanların yüksek kapasite yoğunluğunu elde ederken güvenliğe ulaşmasını sağlar.
Lityum, kimyasal periyodik tablodaki en küçük ve en aktif metaldir. Küçük boyutu ve yüksek kapasite yoğunluğu nedeniyle tüketiciler ve mühendisler arasında popülerdir. Ancak kimyasal özellikleri çok aktiftir ve bu da son derece yüksek tehlike getirir. Lityum metal havaya maruz kaldığında oksijenle şiddetli bir oksidasyon reaksiyonu üretecek ve patlayacaktır. Güvenliği ve voltajı artırmak için bilim insanları lityum atomlarını depolamak için grafit ve lityum kobalt oksit gibi malzemeler icat ettiler. Bu malzemelerin moleküler yapısı, lityum atomlarını depolamak için kullanılabilen nano ölçekli küçük depolama ızgaraları oluşturur. Bu şekilde, pil kabuğu kırılsa ve oksijen girse bile, oksijen molekülleri bu küçük depolama ızgaralarına girmek için çok büyüktür, böylece lityum atomları oksijenle temas etmeyecek ve patlamayı önleyecektir. Lityum iyon pillerin bu prensibi, insanların yüksek kapasite yoğunluğunu elde ederken güvenliğe ulaşmasını sağlar.
Bir lityum iyon pil şarj edildiğinde, pozitif elektrottaki lityum atomları elektron kaybeder ve lityum iyonlarına oksitlenir. Lityum iyonları elektrolit aracılığıyla negatif elektroda gider, negatif elektrodun depolama hücresine girer ve lityum atomlarına indirgenecek bir elektron elde eder. Boşaltma sırasında, tüm süreç tersine döner. Pilin pozitif ve negatif elektrotlarının doğrudan temas etmesini ve kısa devre yapmasını önlemek için, kısa devreyi önlemek amacıyla pile çok sayıda gözenekli bir diyafram kağıdı eklenir. İyi bir diyafram kağıdı ayrıca pil sıcaklığı çok yüksek olduğunda gözenekleri otomatik olarak kapatabilir, böylece lityum iyonları geçemez ve tehlikeyi önler.
Lityum pil hücresi 4,2 V'tan daha yüksek bir voltaja aşırı şarj edildiğinde, yan etkiler oluşmaya başlar. Aşırı şarj voltajı ne kadar yüksekse, tehlike de o kadar yüksektir. Lityum pil hücresi voltajı 4,2 V'tan yüksek olduğunda, pozitif elektrot malzemesinde kalan lityum atomlarının sayısı yarıdan azdır ve depolama hücresi genellikle bu sırada çöker ve pil kapasitesinde kalıcı bir azalmaya neden olur. Şarj devam ederse, negatif elektrotun depolama hücresi zaten lityum atomlarıyla dolu olduğundan, daha sonra lityum metali negatif elektrot malzemesinin yüzeyinde birikecektir. Bu lityum atomları, negatif elektrot yüzeyinden lityum iyonlarına doğru dendritler oluşturacaktır. Bu lityum metal kristalleri diyafram kağıdından geçerek pozitif ve negatif elektrotların kısa devre yapmasına neden olacaktır. Bazen kısa devre oluşmadan önce pil patlar. Bunun nedeni, aşırı şarj işlemi sırasında elektrolit ve diğer malzemelerin gaz üretmek için ayrışması, pil kabuğunun veya basınç valfinin şişmesine ve yırtılmasına neden olması, oksijenin girmesine ve negatif elektrot yüzeyinde biriken lityum atomlarıyla reaksiyona girmesine ve ardından patlamasına izin vermesidir. Bu nedenle, lityum pilleri şarj ederken, pil ömrünü, kapasitesini ve güvenliğini aynı anda hesaba katmak için bir üst voltaj sınırı belirlemek gerekir. Şarj voltajının en ideal üst sınırı 4,2 V'tur.
Lityum pilleri boşaltırken ayrıca bir alt voltaj sınırı vardır. Pil voltajı 2,4 V'tan düşük olduğunda, bazı malzemeler hasar görmeye başlayacaktır. Pil kendi kendine boşalacağından, ne kadar uzun süre boşalırsa, voltaj o kadar düşük olacaktır. Bu nedenle, 2,4 V'ta boşaltmayı durdurmamak en iyisidir. Lityum pilin 3,0 V'tan 2,4 V'a boşaltıldığı süre boyunca, açığa çıkan enerji pil kapasitesinin yalnızca yaklaşık %3'ünü oluşturur. Bu nedenle, 3,0 V ideal bir boşaltma kesme voltajıdır.
Şarj ve deşarj sırasında voltaj sınırlamasına ek olarak akım sınırlaması da gereklidir. Akım çok büyük olduğunda, lityum iyonları depolama hücresine girmek için zaman bulamaz ve malzemenin yüzeyinde toplanır. Bu lityum iyonları elektron elde ettikten sonra, lityum atomları malzemenin yüzeyinde kristalleşir ve bu aşırı şarj gibi tehlikelidir. Pil kabuğu kırılırsa patlar.
Bu nedenle lityum iyon pillerin korunması en azından şunları içermelidir: şarj voltajının üst sınırı, deşarj voltajının alt sınırı ve akımın üst sınırı.
Genel olarak, lityum pil hücresine ek olarak, lityum pil paketinde esas olarak bu üç korumayı sağlayan bir koruma kartı olacaktır. Ancak, koruma kartının bu üç koruması açıkça yeterli değildir ve lityum pil patlamaları dünya çapında hala sık görülmektedir. Pil sisteminin güvenliğini sağlamak için, pil patlamalarının nedenlerinin daha dikkatli bir şekilde analiz edilmesi gerekir.
Pil çekirdeği patlamalarının türleri dış kısa devreler, iç kısa devreler ve aşırı şarj olarak özetlenebilir. Buradaki dış, pil takımının içindeki zayıf yalıtım tasarımından kaynaklanan kısa devreler de dahil olmak üzere pil hücresinin dışını ifade eder.
Pil hücresinin dışında kısa devre meydana geldiğinde ve elektronik bileşenler devreyi kesmeyi başaramadığında, pil hücresinin içinde yüksek ısı oluşur ve elektrolitin bir kısmı buharlaşır ve pil kabuğunu genişletir. Pilin içindeki sıcaklık 135 santigrat dereceye ulaştığında, kaliteli bir diyafram kağıdı gözenekleri kapatacak, elektrokimyasal reaksiyon sona erecek veya neredeyse sona erecek, akım keskin bir şekilde düşecek ve sıcaklık yavaşça düşecek ve böylece patlama önlenecektir. Ancak, gözenek kapanma oranı çok zayıfsa veya diyafram kağıdının gözenekleri hiç kapatılmamışsa, pil sıcaklığı artmaya devam edecek, daha fazla elektrolit buharlaşacak ve sonunda pil kabuğu kırılacak ve hatta pil sıcaklığı malzemenin yandığı ve patladığı noktaya kadar yükselecektir.
Dahili kısa devreler esas olarak diyaframı delen bakır ve alüminyum folyolardaki çapaklar veya diyaframı delen lityum atomlarının dendritleri tarafından oluşur. Bu minik iğne benzeri metaller mikro kısa devrelere neden olur. İğneler çok ince olduğundan ve belirli bir direnç değerine sahip olduğundan, akım çok büyük olmayabilir. Bakır ve alüminyum folyolardaki çapaklar üretim süreci sırasında oluşur. Gözlemlenebilir olgu, pilin çok hızlı sızdırmasıdır ve bunların çoğu pil hücresi fabrikası veya montaj tesisi tarafından elenebilir. Dahası, çapaklar küçük olduğundan, bazen yanabilir ve böylece pil normale döner. Bu nedenle, çapak mikro kısa devresinin neden olduğu patlama olasılığı yüksek değildir.
Bu ifade, her pil fabrikasında şarjdan kısa bir süre sonra düşük voltajlı bozuk pillerin bulunmasına rağmen çok az patlama olması gerçeğiyle istatistiksel olarak desteklenebilir. Bu nedenle, iç kısa devreden kaynaklanan patlama esas olarak aşırı şarjdan kaynaklanır. Çünkü aşırı şarjdan sonra elektrot iğne şeklinde lityum metal kristalleriyle dolar, her yerde delme noktaları olur ve her yerde mikro kısa devreler meydana gelir. Bu nedenle, pil sıcaklığı kademeli olarak yükselecek ve sonunda yüksek sıcaklık elektroliti gazlaştıracaktır. Bu durumda, sıcaklık malzemenin yanmasına ve patlamasına neden olmayacak kadar yüksek olsun veya kabuk önce kırılsın, havanın girmesine ve lityum metal ile şiddetli bir şekilde oksitlenmesine izin versin, patlama ile sonuçlanacaktır.
Ancak aşırı şarjdan kaynaklanan iç kısa devreden kaynaklanan bu patlama, şarj sırasında mutlaka gerçekleşmez. Pil sıcaklığının, malzemenin yanmasına neden olacak kadar yüksek olmaması ve oluşan gazın pil kabuğunu kırmaya yetecek kadar olmaması ve tüketicinin şarjı durdurup cep telefonunu çıkarması mümkündür. Bu sırada çok sayıda mikro kısa devrenin oluşturduğu ısı, pil sıcaklığını yavaşça yükseltir ve bir süre sonra patlama meydana gelir. Tüketiciler genellikle telefonlarını ellerine aldıklarında çok sıcak bulduklarını ve attıklarında patladıklarını ifade ederler.
Yukarıdaki patlama türlerine dayanarak, patlama önlemenin üç yönüne odaklanabiliriz: aşırı şarjın önlenmesi, harici kısa devrelerin önlenmesi ve pil hücresi güvenliğinin iyileştirilmesi. Bunlar arasında, aşırı şarjın önlenmesi ve harici kısa devrenin önlenmesi, pil sistemi tasarımı ve pil montajıyla yakından ilişkili olan elektronik korumaya aittir. Pil hücresi güvenliğini iyileştirmenin anahtarı, pil hücresi üreticileriyle yakından ilişkili olan kimyasal ve mekanik korumadır.
Dünyada yüz milyonlarca cep telefonu bulunduğundan, güvenliği sağlamak için güvenlik korumasının arıza oranının 100 milyonda birden az olması gerekir. Çünkü devre kartlarının arıza oranı genellikle 100 milyonda birden çok daha yüksektir. Bu nedenle, bir pil sistemi tasarlanırken ikiden fazla güvenlik savunma hattı olmalıdır. Yaygın bir tasarım hatası, pil takımını doğrudan şarj etmek için bir şarj cihazı (adaptör) kullanmaktır. Bu şekilde, aşırı şarj korumasının sorumluluğu tamamen pil takımındaki koruma kartına devredilir. Koruma kartının arıza oranı yüksek olmasa da, arıza oranı milyonda bir kadar düşük olsa bile, dünyanın dört bir yanında her gün patlama kazalarının meydana gelme ihtimali hala vardır.
Pil sistemi aşırı şarj, aşırı deşarj ve aşırı akım için sırasıyla iki güvenlik koruması sağlayabiliyorsa, her bir korumanın arıza oranı on binde bir ise, iki koruma arıza oranını 100 milyonda bire düşürebilir. Ortak bir pil şarj sisteminin blok şeması aşağıdaki gibidir ve iki ana parçayı içerir: şarj cihazı ve pil takımı. Şarj cihazı ayrıca iki parçadan oluşur: adaptör (Adaptör) ve şarj kontrolörü. Adaptör AC gücünü DC gücüne dönüştürür ve şarj kontrolörü DC gücünün maksimum akımını ve maksimum voltajını sınırlar. Pil takımı iki parçadan oluşur: koruma kartı ve pil hücresi, ayrıca maksimum akımı sınırlamak için bir PTC.
Cep telefonu pil sistemini örnek alırsak, aşırı şarj koruma sistemi, birinci koruma seviyesine ulaşmak için yaklaşık 4,2 V'a ayarlanmış şarj cihazı çıkış voltajını kullanır. Bu şekilde, pil takımındaki koruma kartı arızalansa bile, pil aşırı şarj olmaz ve tehlikeli olmaz. İkinci koruma hattı, genellikle 4,3 V'a ayarlanan koruma kartındaki aşırı şarj koruma işlevidir. Bu şekilde, koruma kartının şarj akımını kesmekten sorumlu olması gerekmez. Sadece şarj cihazı voltajı anormal derecede yüksek olduğunda harekete geçmesi gerekir. Aşırı akım koruması, aşırı akımı ve harici kısa devreyi önlemek için iki koruma hattı olan koruma kartının ve akım sınırlayıcının sorumluluğundadır. Aşırı deşarj yalnızca elektronik ürünlerin kullanımı sırasında meydana geldiğinden. Bu nedenle, genel tasarım, elektronik ürünün devre kartının ilk korumayı, pil takımındaki koruma kartının ise ikinci korumayı sağlamasıdır. Elektronik ürün, güç kaynağı voltajının 3,0 V'tan düşük olduğunu tespit ettiğinde, otomatik olarak kapanmalıdır. Ürün tasarlandığında bu fonksiyon tasarlanmamışsa, gerilim 2,4V'a düştüğünde koruma kartı deşarj devresini kapatacaktır.
Kısacası, bir batarya sistemi tasarlarken aşırı şarj, aşırı deşarj ve aşırı akım için iki elektronik koruma sağlanmalıdır. Koruma kartı ikinci korumadır. Koruma kartı çıkarıldığında batarya patlarsa, bu tasarımın kötü olduğu anlamına gelir.
Yukarıdaki yöntem iki koruma sağlasa da, tüketiciler genellikle şarj cihazı bozulduktan sonra şarj etmek için orijinal olmayan şarj cihazları satın alır ve şarj cihazı üreticileri genellikle maliyet değerlendirmelerine dayanarak maliyetleri düşürmek için şarj kontrol cihazını çıkarır. Sonuç olarak, kötü para iyi parayı kovar ve piyasada birçok düşük kaliteli şarj cihazı ortaya çıkar. Bu, aşırı şarj korumasının ilk ve en önemli savunma hattını kaybetmesine neden olur. Aşırı şarj, pil patlamalarına neden olan en önemli faktördür, bu nedenle düşük kaliteli şarj cihazları pil patlamalarının suçlusu olarak kabul edilebilir.
Elbette, tüm pil sistemleri yukarıdaki şekilde gösterilen çözümü kullanmaz. Bazı durumlarda, pil takımının bir şarj denetleyicisi tasarımı da olacaktır. Örneğin, birçok dizüstü bilgisayar harici pil çubuğunda bir şarj denetleyicisi bulunur. Bunun nedeni, dizüstü bilgisayarların genellikle şarj denetleyicisinin bilgisayara entegre edilmiş olması ve tüketicilere yalnızca bir adaptör sağlamasıdır. Bu nedenle, bir dizüstü bilgisayarın harici pil takımının, bir adaptörle şarj edilirken harici pil takımının güvenliğini sağlamak için bir şarj denetleyicisi olması gerekir. Ayrıca, şarj etmek için araç çakmağını kullanan ürünlerde bazen şarj denetleyicisi pil takımına entegre edilmiştir.
Tüm elektronik koruma önlemleri başarısız olursa, son savunma hattı pil hücresi tarafından sağlanacaktır. Pil hücresinin güvenlik seviyesi, pil hücresinin harici kısa devrelere ve aşırı şarjlara dayanıp dayanamayacağına göre kabaca seviyelere ayrılabilir. Çünkü pil patlamadan önce, lityum atomları içerideki malzemenin yüzeyinde birikirse, patlama daha güçlü olacaktır. Dahası, aşırı şarja karşı koruma genellikle tüketiciler düşük kaliteli şarj cihazları kullandığı için yalnızca bir savunma hattıyla bırakılır. Bu nedenle, pil hücresinin aşırı şarja karşı koyma yeteneği, harici kısa devrelere karşı koyma yeteneğinden daha önemlidir.
Alüminyum gövdeli akülerin güvenliği çelik gövdeli akülerle karşılaştırıldığında, alüminyum gövdelerin çelik gövdelere göre daha yüksek güvenlik avantajına sahip olduğu görülmektedir.
Acey Zeki lityum iyon piller için yüksek kaliteli ekipmanların araştırılması ve üretilmesi konusunda uzmanlaşmıştır. Faaliyet alanlarımız:
Lityum pil malzemeleri ve ekipmanlarıyla ilgili herhangi bir sorunuz varsa lütfen bizimle iletişime geçmekten çekinmeyin. Size her zaman profesyonel teknik rehberlik ve tek elden çözümler sunmaya hazırız.
© 2025 Acey Teknoloji Limited Her hakkı saklıdır.
