Analyse der Ursachen für das Aufblähen und Explodieren von Lithiumbatterien
May 16, 2025Analyse der Ursachen für das Aufblähen und Explodieren von Lithiumbatterien
Das Funktionsprinzip von Lithium-Ionen-Batterien
Lithium ist das kleinste und aktivste Metall im chemischen Periodensystem. Es ist bei Verbrauchern und Ingenieuren aufgrund seiner geringen Größe und hohen Kapazitätsdichte beliebt. Seine chemischen Eigenschaften sind jedoch zu aktiv, was eine extrem hohe Gefahr birgt. Kommt Lithiummetall mit Luft in Berührung, oxidiert es heftig mit Sauerstoff und explodiert. Um Sicherheit und Spannung zu verbessern, haben Wissenschaftler Materialien wie Graphit und Lithiumkobaltoxid zur Speicherung von Lithiumatomen entwickelt. Die Molekularstruktur dieser Materialien bildet winzige Speichergitter im Nanomaßstab, in denen Lithiumatome gespeichert werden können. Selbst wenn das Batteriegehäuse zerbricht und Sauerstoff eindringt, sind die Sauerstoffmoleküle zu groß, um in diese winzigen Speichergitter einzudringen. So kommen die Lithiumatome nicht mit Sauerstoff in Kontakt und eine Explosion wird vermieden. Dieses Prinzip der Lithium-Ionen-Batterien gewährleistet Sicherheit bei gleichzeitig hoher Kapazitätsdichte.
Lithium ist das kleinste und aktivste Metall im chemischen Periodensystem. Es ist bei Verbrauchern und Ingenieuren aufgrund seiner geringen Größe und hohen Kapazitätsdichte beliebt. Seine chemischen Eigenschaften sind jedoch zu aktiv, was eine extrem hohe Gefahr birgt. Kommt Lithiummetall mit Luft in Berührung, oxidiert es heftig mit Sauerstoff und explodiert. Um Sicherheit und Spannung zu verbessern, haben Wissenschaftler Materialien wie Graphit und Lithiumkobaltoxid zur Speicherung von Lithiumatomen entwickelt. Die Molekularstruktur dieser Materialien bildet winzige Speichergitter im Nanomaßstab, in denen Lithiumatome gespeichert werden können. Selbst wenn das Batteriegehäuse zerbricht und Sauerstoff eindringt, sind die Sauerstoffmoleküle zu groß, um in diese winzigen Speichergitter einzudringen. So kommen die Lithiumatome nicht mit Sauerstoff in Kontakt und eine Explosion wird vermieden. Dieses Prinzip der Lithium-Ionen-Batterien gewährleistet Sicherheit bei gleichzeitig hoher Kapazitätsdichte.
Beim Laden eines Lithium-Ionen-Akkus verlieren die Lithiumatome in der positiven Elektrode Elektronen und oxidieren zu Lithiumionen. Die Lithiumionen wandern durch den Elektrolyten zur negativen Elektrode, gelangen in die Speicherzelle der negativen Elektrode und erhalten ein Elektron, das zu Lithiumatomen reduziert wird. Beim Entladen läuft der gesamte Prozess umgekehrt ab. Um einen direkten Kontakt und Kurzschluss zwischen den positiven und negativen Elektroden der Batterie zu verhindern, wird der Batterie ein porenreiches Membranpapier beigefügt. Gutes Membranpapier verschließt die Poren zudem automatisch, wenn die Batterietemperatur zu hoch ist, sodass Lithiumionen nicht durchdringen und Gefahren vermieden werden.
Wird eine Lithiumbatteriezelle auf eine Spannung über 4,2 V überladen, treten Nebenwirkungen auf. Je höher die Überladespannung, desto größer die Gefahr. Liegt die Spannung der Lithiumbatteriezelle über 4,2 V, reduziert sich die Anzahl der im positiven Elektrodenmaterial verbleibenden Lithiumatome auf weniger als die Hälfte. Die Speicherzelle kollabiert dann häufig, was zu einem dauerhaften Kapazitätsverlust führt. Da die Speicherzelle der negativen Elektrode bereits mit Lithiumatomen gefüllt ist, lagert sich bei fortgesetztem Ladevorgang Lithiummetall an der Oberfläche des negativen Elektrodenmaterials ab. Diese Lithiumatome bilden Dendriten von der negativen Elektrodenoberfläche in Richtung der Lithiumionen. Diese Lithiummetallkristalle durchdringen das Membranpapier und verursachen einen Kurzschluss zwischen positiver und negativer Elektrode. Manchmal explodiert die Batterie, bevor es zu einem Kurzschluss kommt. Dies liegt daran, dass sich während des Überladevorgangs Elektrolyt und andere Materialien zersetzen und Gase bilden. Dadurch quillt das Batteriegehäuse oder das Druckventil auf und platzt. Sauerstoff dringt ein und reagiert mit den an der negativen Elektrodenoberfläche angesammelten Lithiumatomen, was zur Explosion führt. Daher ist es beim Laden von Lithiumbatterien notwendig, eine obere Spannungsgrenze festzulegen, um gleichzeitig die Batterielebensdauer, Kapazität und Sicherheit zu berücksichtigen. Die ideale Obergrenze der Ladespannung liegt bei 4,2 V.
Beim Entladen von Lithiumbatterien gibt es eine untere Spannungsgrenze. Bei einer Batteriespannung unter 2,4 V beginnen einige Materialien zu schädigen. Da sich die Batterie selbst entlädt, sinkt die Spannung umso mehr, je länger sie entladen wird. Daher ist es ratsam, die Entladung nicht bei 2,4 V zu beenden. Während der Entladung der Lithiumbatterie von 3,0 V auf 2,4 V beträgt die freigesetzte Energie nur etwa 3 % der Batteriekapazität. Daher ist 3,0 V eine ideale Entladeschlussspannung.
Beim Laden und Entladen ist neben der Spannungsbegrenzung auch eine Strombegrenzung erforderlich. Bei zu hohem Strom haben Lithiumionen keine Zeit, in die Speicherzelle einzudringen und sammeln sich auf der Materialoberfläche. Nachdem diese Lithiumionen Elektronen aufgenommen haben, kristallisieren Lithiumatome auf der Materialoberfläche, was ebenso gefährlich ist wie Überladung. Wenn das Batteriegehäuse bricht, explodiert es.
Daher muss der Schutz von Lithium-Ionen-Batterien mindestens Folgendes umfassen: Obergrenze der Ladespannung, Untergrenze der Entladespannung und Obergrenze des Stroms.
Im Allgemeinen enthält der Lithiumbatteriesatz zusätzlich zur Lithiumbatteriezelle eine Schutzplatine, die hauptsächlich diese drei Schutzfunktionen bietet. Diese drei Schutzfunktionen der Schutzplatine reichen jedoch offensichtlich nicht aus, und weltweit kommt es immer noch häufig zu Explosionen von Lithiumbatterien. Um die Sicherheit des Batteriesystems zu gewährleisten, ist eine genauere Analyse der Ursachen von Batterieexplosionen erforderlich.
Die Arten von Batteriekernexplosionen lassen sich als externe Kurzschlüsse, interne Kurzschlüsse und Überladung zusammenfassen. „Extern“ bezieht sich hier auf die Außenseite der Batteriezelle, einschließlich Kurzschlüssen, die durch eine schlechte Isolierung im Inneren des Batteriepacks verursacht werden.
Tritt außerhalb der Batteriezelle ein Kurzschluss auf und können die elektronischen Komponenten den Stromkreis nicht unterbrechen, entsteht in der Batteriezelle hohe Hitze, wodurch ein Teil des Elektrolyts verdampft und das Batteriegehäuse sich ausdehnt. Erreicht die Temperatur im Batterieinneren 135 Grad Celsius, verschließt ein hochwertiges Membranpapier die Poren. Die elektrochemische Reaktion bricht ganz oder teilweise ab, der Strom fällt stark ab und die Temperatur sinkt langsam, wodurch eine Explosion vermieden wird. Schließen sich die Poren jedoch zu langsam oder werden die Poren des Membranpapiers überhaupt nicht geschlossen, steigt die Batterietemperatur weiter an, mehr Elektrolyt verdampft und schließlich bricht das Batteriegehäuse. Die Batterietemperatur steigt sogar so weit an, dass das Material verbrennt und explodiert.
Interne Kurzschlüsse entstehen hauptsächlich durch Grate an Kupfer- und Aluminiumfolien, die die Membran durchdringen, oder durch Dendriten von Lithiumatomen, die die Membran durchdringen. Diese winzigen, nadelartigen Metalle verursachen Mikrokurzschlüsse. Da die Nadeln sehr dünn sind und einen gewissen Widerstand haben, ist der Stromfluss möglicherweise gering. Grate an Kupfer- und Aluminiumfolien entstehen während des Produktionsprozesses. Sie können beobachtet werden, indem die Batterie zu schnell ausläuft. Die meisten dieser Grate können in der Batteriezellenfabrik oder im Montagewerk ausgesondert werden. Da die Grate zudem klein sind, können sie manchmal abgebrannt werden, sodass die Batterie wieder in ihren Normalzustand zurückkehrt. Daher ist die Wahrscheinlichkeit einer Explosion durch Mikrokurzschlüsse durch Grate gering.
Diese Aussage wird statistisch dadurch untermauert, dass in jeder Batteriefabrik häufig defekte Batterien mit niedriger Spannung kurz nach dem Laden vorhanden sind, es aber nur selten zu Explosionen kommt. Daher werden Explosionen durch interne Kurzschlüsse hauptsächlich durch Überladung verursacht. Da die Elektrode nach der Überladung mit nadelförmigen Lithiummetallkristallen gefüllt ist, bilden sich überall Einstichstellen und Mikrokurzschlüsse. Dadurch steigt die Batterietemperatur allmählich an, und schließlich führt die hohe Temperatur zur Vergasung des Elektrolyten. In diesem Fall führt entweder die zu hohe Temperatur zum Verbrennen und Explodieren des Materials oder das Aufbrechen der Hülle, wodurch Luft eindringen und das Lithiummetall heftig oxidieren kann, zu einer Explosion.
Diese Explosion, die durch einen internen Kurzschluss infolge Überladung verursacht wird, muss jedoch nicht zwangsläufig während des Ladevorgangs auftreten. Es kann sein, dass die Akkutemperatur nicht hoch genug ist, um das Material zu verbrennen, und das entstehende Gas nicht ausreicht, um das Akkugehäuse zu zerstören. Der Verbraucher unterbricht dann den Ladevorgang und nimmt das Mobiltelefon heraus. Die durch zahlreiche Mikrokurzschlüsse erzeugte Wärme lässt die Akkutemperatur langsam ansteigen, und nach einiger Zeit kommt es zur Explosion. Verbraucher berichten oft, dass ihre Telefone beim Anfassen sehr heiß sind und beim Wegwerfen explodieren.
Basierend auf den oben genannten Explosionsarten können wir uns auf drei Aspekte des Explosionsschutzes konzentrieren: Schutz vor Überladung, Schutz vor externen Kurzschlüssen und Verbesserung der Batteriezellensicherheit. Überladungsschutz und Schutz vor externen Kurzschlüssen gehören zum elektronischen Schutz, der eng mit dem Batteriesystemdesign und der Batteriemontage verbunden ist. Der Schlüssel zur Verbesserung der Batteriezellensicherheit liegt im chemischen und mechanischen Schutz, der eng mit den Batteriezellenherstellern zusammenhängt.
Da es weltweit Hunderte Millionen Mobiltelefone gibt, muss die Ausfallrate der Schutzvorrichtungen aus Sicherheitsgründen unter 1:100 Millionen liegen. Da die Ausfallrate von Leiterplatten in der Regel deutlich über 1:100 Millionen liegt, müssen bei der Entwicklung eines Batteriesystems mehr als zwei Sicherheitslinien vorgesehen werden. Ein häufiger Konstruktionsfehler besteht darin, den Akkupack direkt über ein Ladegerät (Adapter) aufzuladen. Dadurch wird die Verantwortung für den Überladeschutz vollständig auf die Schutzplatine des Akkupacks übertragen. Obwohl die Ausfallrate der Schutzplatine nicht hoch ist, besteht selbst bei einer Ausfallrate von nur 1:1 Million weltweit die Gefahr, dass sich täglich Explosionsunfälle ereignen.
Wenn das Batteriesystem zwei Sicherheitsmechanismen gegen Überladung, Tiefentladung und Überstrom bietet und die Ausfallrate jedes Schutzes bei 1:10.000 liegt, können die beiden Schutzmechanismen die Ausfallrate auf 1:100.000 senken. Das Blockdiagramm eines gängigen Batterieladesystems sieht wie folgt aus und besteht aus zwei Hauptteilen: dem Ladegerät und dem Akkupack. Das Ladegerät besteht außerdem aus zwei Teilen: dem Adapter und dem Laderegler. Der Adapter wandelt Wechselstrom in Gleichstrom um, und der Laderegler begrenzt den maximalen Strom und die maximale Spannung des Gleichstroms. Das Akkupack besteht aus zwei Teilen: der Schutzplatine und der Batteriezelle sowie einem PTC zur Begrenzung des maximalen Stroms.
Am Beispiel des Akkusystems eines Mobiltelefons nutzt der Überladeschutz die auf ca. 4,2 V eingestellte Ausgangsspannung des Ladegeräts, um die erste Schutzstufe zu erreichen. Auf diese Weise wird der Akku selbst bei einem Ausfall der Schutzplatine im Akkupack nicht überladen und es entsteht keine Gefahr. Die zweite Schutzstufe ist der Überladeschutz der Schutzplatine, der üblicherweise auf 4,3 V eingestellt ist. Dadurch muss die Schutzplatine den Ladestrom nicht unterbrechen. Sie wird nur dann aktiv, wenn die Ladespannung ungewöhnlich hoch ist. Der Überstromschutz obliegt der Schutzplatine und dem Strombegrenzer. Diese beiden Schutzstufen verhindern Überstrom und externe Kurzschlüsse. Denn Tiefentladungen treten nur bei der Nutzung elektronischer Produkte auf. Daher besteht das allgemeine Design darin, dass die Leiterplatte des elektronischen Produkts den ersten Schutz bietet und die Schutzplatine des Akkupacks den zweiten. Wenn das elektronische Produkt erkennt, dass die Versorgungsspannung unter 3,0 V fällt, schaltet es sich automatisch ab. Wenn diese Funktion bei der Produktentwicklung nicht vorgesehen ist, schließt die Schutzplatine den Entladekreis, wenn die Spannung nur noch 2,4 V beträgt.
Kurz gesagt: Bei der Entwicklung eines Batteriesystems müssen zwei elektronische Schutzmechanismen gegen Überladung, Tiefentladung und Überstrom vorgesehen werden. Die Schutzplatine ist der zweite Schutz. Wenn die Batterie beim Entfernen der Schutzplatine explodiert, ist die Konstruktion fehlerhaft.
Obwohl die oben beschriebene Methode zwei Schutzmechanismen bietet, kaufen Verbraucher häufig nicht originale Ladegeräte, um nach einem Defekt das Ladegerät wieder aufzuladen. Außerdem entfernen Ladegerätehersteller häufig den Laderegler, um Kosten zu sparen. Infolgedessen verdrängt schlechtes Geld gutes Geld, und viele minderwertige Ladegeräte kommen auf den Markt. Dadurch verliert der Überladeschutz seine erste und wichtigste Verteidigungslinie. Überladung ist der wichtigste Faktor für Batterieexplosionen, daher können minderwertige Ladegeräte als Ursache für Batterieexplosionen angesehen werden.
Natürlich verwenden nicht alle Akkusysteme die in der Abbildung oben gezeigte Lösung. In manchen Fällen verfügt der Akku auch über einen Laderegler. Beispielsweise sind viele externe Akku-Sticks für Notebooks mit einem Laderegler ausgestattet. Notebooks haben den Laderegler in der Regel fest im Computer integriert und werden nur mit einem Adapter geliefert. Daher muss der externe Akku eines Notebooks über einen Laderegler verfügen, um die Sicherheit des Akkus beim Laden mit einem Adapter zu gewährleisten. Auch Produkte, die über den Zigarettenanzünder im Auto geladen werden, haben den Laderegler manchmal im Akku integriert.
Wenn alle elektronischen Schutzmaßnahmen versagen, stellt die Batteriezelle die letzte Verteidigungslinie dar. Die Sicherheitsstufe einer Batteriezelle lässt sich grob in Stufen einteilen, die sich danach richten, ob die Zelle externen Kurzschlüssen und Überladungen standhält. Denn bevor die Batterie explodiert, verschärfen Lithiumatome die Explosionskraft, wenn sie sich auf der Materialoberfläche ansammeln. Zudem bleibt dem Schutz vor Überladung oft nur eine Verteidigungslinie, da Verbraucher minderwertige Ladegeräte verwenden. Daher ist die Widerstandsfähigkeit der Batteriezelle gegen Überladung wichtiger als ihre Widerstandsfähigkeit gegen externe Kurzschlüsse.
Vergleicht man die Sicherheit von Batterien mit Aluminiumgehäuse und Batterien mit Stahlgehäuse, so weisen Aluminiumgehäuse einen höheren Sicherheitsvorteil auf als Stahlgehäuse.
Acey Intelligent ist auf die Erforschung und Herstellung von High-End-Geräten für Lithium-Ionen-Batterien spezialisiert. Unser Geschäft umfasst:
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