Vad är termiskt skydd?

Termiskt skydd är hur en litium-joncell håller sig från att fatta eld. Varje 18650 du någonsin har använt har flera säkerhetsanordningar instoppade i den där lilla topplocket-PTC, CID, ventilskiva, fungerar. De är där eftersom litium-jonkemi lagrar massor av energi på ett litet utrymme, och den energin kommer att hitta en väg ut om något går fel internt.

Jag har varit i den här branschen tillräckligt länge för att komma ihåg när "termisk flykt" inte var ett hushållsbegrepp. Sedan kom återkallelsen av den bärbara Dell-datorn 2006. Sony drog miljontals celler. Plötsligt ville alla veta vad som händer när en litium-joncell misslyckas, och ännu viktigare, hur man stoppar det.

Thermal Runaway vs. Överhettning

Folk blandar ihop dessa hela tiden. Överhettning är när en cell blir varm av yttre orsaker-du lämnade den i en varm bil, laddaren fungerar inte, vad som helst. Ta bort värmekällan och cellen svalnar. Problem löst.

Thermal runaway är ett helt annat odjur. Något misslyckas inuti cellen-kanske punkteras separatorn, kanske skapar ett tillverkningsfel en mjuk kortslutning-och cellen börjar generera sin egen värme. Den värmen påskyndar den kemiska nedbrytningen, vilket genererar mer värme, vilket påskyndar nedbrytningen ytterligare. Det är en återkopplingsslinga. När du märker det är det redan för sent att sluta.

Det slutar med att cellen ventilerar het gas och lågor, ibland våldsamt. I ett batteripaket kan en cell som går på flykt laga mat till sina grannar och utlösa en kedjereaktion. Det är därför termiskt skydd finns.

Skyddsstapeln

Öppna en cylindrisk cell och titta på topplocket. Du hittar flera enheter staplade där, var och en utformad för att fånga problem i olika skeden.

PTC

PTC-enheten (positiv temperaturkoefficient) är din första linje. Det är i grunden en polymerwafer laddad med ledande partiklar. Normala temp, lågt motstånd, ström flyter bra. Få det över 80 grader eller så och polymeren sväller, partiklarna separeras, motståndet går genom taket. Nuvarande sjunker till nästan ingenting.

Det jag gillar med PTC:er är att de återställs. Kyl ner cellen, det fungerar igen. Bra för att fånga externa shorts som rensar snabbt.

Det jag inte gillar är hur de beter sig i seriesträngar. Vi lärde oss detta på den hårda vägen under packtestning för några år sedan. En cells PTC löste ut, men med en 48V-sträng bakom sig, bågade spänningen bara över. Skyddet som fungerar utmärkt på cellnivå skalar inte alltid till förpackningsnivå.

Avstängning av separator

Separatorn är det tunna membranet som håller isär dina elektroder samtidigt som litiumjoner släpps igenom. I en avstängningsseparator mjuknar materialet runt 130 grader och porerna tätar. Ingen jontransport, ingen elektrokemisk reaktion, ingen ström.

Flerskiktsdesignerna-PE inre lager, PP yttre lager-ger dig lite extra marginal. PE stänger av jonflödet medan PP håller allt mekaniskt separerat lite längre. Köpte oss kanske 10-15 extra sekunder i missbrukstest innan interna shorts utvecklades.

En sak att komma ihåg: separatorer kommer inte tillbaka. Om en cell blev tillräckligt varm för att utlösa avstängning är den cellen klar. Byt ut den.

CID

Den aktuella avbrottsenheten reagerar på tryck, inte temperatur. När saker börjar sönderfalla inuti genererar de gas. CID är två tunna skivor som är punktsvetsade-som faller isär när det interna trycket blir tillräckligt högt-någonstans runt 1 MPa beroende på designen.

Detta är en permanent frånkoppling. När en cell genererar så mycket gas är den redan skadad bortom användning. Du vill ha den ur kretsen.

Ventilera

Sista utvägen. Om trycket fortsätter att byggas förbi CID-aktivering, spricker ventilationsskivan och låter gaserna strömma ut. Det som kommer ut är brandfarligt och giftigt, men kontrollerad ventilering slår en okontrollerad bristning. Vi har alla sett videor av celler som går av som smällare-det är vad som händer utan ordentlig ventilering.

BMS-skiktet

Skydd på cell-nivå hanterar snabba fel. Batterihanteringssystemet hanterar allt annat-att övervaka packtemperaturer, strypa laddningshastigheterna när saker värms upp, koppla bort kontaktorer om sensoravläsningarna går utanför intervallet.

De två systemen kompletterar varandra. BMS fångar de långsamma-problem som god värmehantering kan förhindra. Enheter på cell-nivå fångar upp de snabba interna fel som ytsensorer inte kan upptäcka i tid.

Kemi gör skillnad

Inte alla litium-joner skapas lika när det gäller termisk stabilitet. Dina-koboltbaserade kemi-LCO, NMC-packar stor energitäthet men de är termiskt känsliga. Kobolt-syrebindningen bryts ner vid förhöjda temperaturer och frigör syre som matar reaktionen.

LFP är mer förlåtande. Järn-fosfatstrukturen håller ihop bättre under termisk stress. Du har mer utrymme mellan normal drift och farozonen. Samma skyddsanordningar, men de fungerar inte så nära kanten.

Detta är en stor del av varför LFP har tagit över inom materialhantering. Gaffeltruckar lever hårt-snabbladdning, temperatursvängningar, enstaka övergrepp. Du vill ha en kemi som klarar det. Alla Polinovel-paket är byggda med LFP-celler av exakt denna anledning.