Quando la batteria del telefono sta per esaurirsi, l'ansia da batteria può essere opprimente. Di conseguenza, i power bank sono diventati una "necessità" durante i viaggi o gli spostamenti di lavoro, proprio come una carta d'identità o un portafoglio. Dopotutto, in un ambiente sconosciuto, un telefono scarico è come un blackout digitale. La navigazione si blocca, i pagamenti vengono rifiutati e non è possibile contattare nessuno. Quella sensazione di panico può davvero destabilizzare. Tuttavia, recenti episodi di power bank che hanno preso fuoco hanno scosso il settore, innescando ampie discussioni sulla loro sicurezza. Il 26 giugno 2025, l'Amministrazione dell'Aviazione Civile cinese ha emanato nuove normative che vietano i power bank non conformi. L'Amministrazione ha richiesto che fossero certificati 3C prima di salire a bordo di un aereo. Il problema è iniziato il 20 marzo 2025, quando una batteria al litio ha preso fuoco nel vano bagagli di un volo da Hangzhou a Hong Kong, causando un atterraggio di emergenza.
1 Perché le batterie al litio prendono fuoco?
L'indagine ha rivelato che l'incendio è stato causato da un cortocircuito in un power bank Romoss da 20.000 mAh. Successivamente, il 31 maggio e il 13 giugno, si sono verificati altri due incidenti simili sui voli. I problemi di sicurezza delle batterie agli ioni di litio si manifestano spesso sotto forma di incendi o persino esplosioni. La causa principale di questi problemi risiede nella fuga termica all'interno della batteria. Inoltre, fattori esterni come sovraccarico, fonti di incendio, compressione, forature e cortocircuiti possono anch'essi innescare problemi di sicurezza. La fuoriuscita di gas è uno dei principali segnali di guasto delle batterie agli ioni di litio.
Quando una batteria agli ioni di litio prende fuoco, emette rapidamente una grande quantità di fumo bianco, composto principalmente da vapore o prodotti di decomposizione dell'elettrolita della batteria. Nelle fasi iniziali di un incendio, la differenza di colore del fumo è una delle caratteristiche più evidenti che distinguono gli incendi delle batterie agli ioni di litio dagli incendi comuni. Dopo la fuga termica, i gas combustibili rilasciati dalla batteria si mescolano con l'aria formando una miscela esplosiva. L'esposizione alle particelle ad alta temperatura emesse dalla batteria può causare un'esplosione localizzata, spesso accompagnata da rumori esplosivi nelle fasi iniziali dell'incendio.
2 Misure per prevenire le esplosioni delle batterie al litio
Le problematiche di sicurezza relative alle batterie agli ioni di litio sono complesse e complesse. Il principale rischio per la sicurezza è il cortocircuito interno casuale che causa un guasto immediato, con conseguente fuga termica. Pertanto, lo sviluppo e l'utilizzo di materiali con elevata stabilità termica rappresentano l'approccio fondamentale per migliorare la sicurezza delle batterie agli ioni di litio in futuro.
1) Miglioramento della stabilità termica dei materiali delle batterie
Materiali catodici: la stabilità termica può essere migliorata ottimizzando le condizioni di sintesi, perfezionando i metodi di sintesi o utilizzando tecniche di drogaggio e rivestimento superficiale.
Materiali anodici: la stabilità termica dei materiali anodici è influenzata dal tipo di materiale, dalle dimensioni delle particelle e dalla stabilità del film SEI (interfase elettrolitica solida). La qualità del film SEI influisce direttamente sulle prestazioni di carica e scarica e sulla sicurezza della batteria. Una debolmente ossidante della superficie dei materiali al carbonio o l'utilizzo di materiali al carbonio ridotti, drogati o con superficie modificata può migliorare la qualità del film SEI. Anche i materiali al carbonio sferici o fibrosi contribuiscono a migliorare la qualità del SEI.
Stabilità dell'elettrolita: la stabilità dell'elettrolita è correlata al tipo di sale di litio e di solvente utilizzati. I sali di litio con una migliore stabilità termica e i solventi con una finestra elettrochimica più ampia possono migliorare la stabilità termica della batteria.
2) Miglioramento della protezione da sovraccarico
Per prevenire il sovraccarico, vengono in genere utilizzati circuiti di carica specializzati per controllare il processo di carica e scarica della batteria. È possibile installare valvole di sicurezza su singole batterie per fornire un'ulteriore protezione dal sovraccarico. È possibile utilizzare anche un resistore a coefficiente di temperatura positivo (PTC), che aumenta la resistenza interna della batteria man mano che si riscalda durante il sovraccarico, limitando così la corrente di sovraccarico. È anche possibile utilizzare separatori specializzati. Quando la temperatura della separatore Se la carica aumenta troppo a causa di condizioni anomale della batteria, i pori del separatore si restringono e si bloccano, impedendo la migrazione degli ioni di litio e prevenendo il sovraccarico.
3) Batterie allo stato solido
Le batterie allo stato solido utilizzano elettroliti solidi per sostituire gli elettroliti liquidi infiammabili presenti nelle tradizionali batterie liquide. Questo elimina sostanzialmente i rischi per la sicurezza associati alla perdita di elettroliti e alla combustione, aumentando la temperatura di fuga termica da 120 °C a oltre 200 °C. Le batterie allo stato solido hanno anche meno probabilità di cortocircuitare, incendiarsi o esplodere se sottoposte a forze esterne come le forature. Anche se la batteria viene forata con un chiodo, tagliata o piegata, può comunque rimanere stabile.
3 Le prestazioni delle batterie al litio
Ora, introduciamo i metodi di analisi delle curve di carica e scarica delle batterie al litio, inclusi l'efficienza di carica, le caratteristiche di scarica, la valutazione della capacità, la valutazione della resistenza interna e la valutazione del ciclo di vita. Interpretando le curve di carica e scarica, possiamo acquisire una comprensione approfondita delle prestazioni e delle caratteristiche della batteria, fornendo importanti indicazioni per la selezione, l'utilizzo e l'ottimizzazione della batteria.
Le prestazioni delle batterie al litio sono cruciali per il funzionamento di vari dispositivi elettronici e utensili elettrici. Le curve di carica e scarica sono uno dei metodi chiave per valutare le prestazioni delle batterie al litio, poiché possono riflettere visivamente le variazioni di tensione e corrente durante il processo di carica e scarica. Analizzando queste curve, possiamo ottenere informazioni su parametri chiave come la capacità della batteria, la resistenza interna e l'efficienza, che a loro volta forniscono indicazioni per ottimizzare la progettazione della batteria e migliorarne le prestazioni.
4 Analisi della curva di carica della batteria al litio
La curva di carica e scarica di una batteria al litio rappresenta la relazione tra la tensione e la capacità di scarica della batteria, nonché la curva dello stato di carica (SOC). Durante il processo di carica, la tensione aumenta gradualmente mentre la corrente diminuisce. La pendenza della curva di carica riflette la velocità di carica: maggiore è la pendenza, maggiore è la velocità di carica. La zona di plateau della curva di carica indica invece che la batteria è completamente carica. La tensione tende a stabilizzarsi.
L'efficienza di carica è un indicatore importante per valutare le prestazioni di carica della batteria. Una maggiore efficienza di carica significa che la batteria può convertire più efficacemente l'energia elettrica in ingresso in energia chimica immagazzinata. Confrontando la capacità di carica effettiva ricavata dalla curva di carica con la capacità di carica teorica, è possibile valutare l'efficienza di carica. Inoltre, è possibile osservare la perdita di energia durante il processo di carica per identificare metodi per migliorare l'efficienza di carica.
La tensione di terminazione della carica si riferisce al valore di tensione quando la batteria è completamente carica. Impostare correttamente la tensione di terminazione della carica aiuta a evitare il sovraccarico e a prolungare la durata della batteria. Analizzando la curva di carica, è possibile determinare una tensione di terminazione della carica appropriata per garantire che la batteria si carichi entro un intervallo di sicurezza.
5 Analisi della curva di scarica della batteria al litio
Durante la scarica, la tensione diminuisce gradualmente e di conseguenza anche la corrente. La forma e la pendenza della curva di scarica possono fornire informazioni importanti sulle prestazioni della batteria. Una curva di scarica più piatta indica solitamente che la batteria ha una buona stabilità di scarica e può fornire un'erogazione di energia stabile. Inoltre, osservando la zona di plateau della curva di scarica, possiamo comprendere la variazione di tensione della batteria a diverse profondità di scarica e valutarne la capacità di scarica.
L'area sotto la curva di scarica è proporzionale al tempo di scarica. Calcolando l'area sotto la curva, possiamo valutare la capacità di scarica della batteria. La capacità di scarica influisce direttamente sul tempo di utilizzo e sulla durata della batteria.
6 Impatto della resistenza interna
La resistenza interna è la resistenza all'interno della batteria, che influenza le caratteristiche di scarica. Una resistenza interna più elevata comporta una caduta di tensione più rapida e una riduzione della potenza di scarica. Analizzando la curva di scarica, possiamo stimare la resistenza interna della batteria e valutarne l'impatto sulle prestazioni.
7 Valutazione della capacità
La capacità di una batteria al litio si riferisce alla quantità di carica che può immagazzinare. Si misura tipicamente in milliampere-ora (mAh) o ampere-ora (Ah). Integrando le curve di carica e scarica, possiamo calcolare la capacità effettiva della batteria. Inoltre, è possibile eseguire test multipli di carica e scarica per osservare il decadimento della capacità e valutare la durata del ciclo di vita della batteria.
Valutazione della durata di 8 cicli
La durata del ciclo si riferisce alla capacità di una batteria di mantenere determinati livelli di prestazioni dopo molteplici cicli di carica e scarica. Osservando le variazioni delle curve di carica e scarica durante diversi cicli, possiamo valutare la durata del ciclo della batteria. Se la forma e le caratteristiche della curva rimangono relativamente stabili dopo diversi cicli, ciò indica che la batteria ha una buona durata del ciclo. Inoltre, il decadimento della capacità durante il processo di carica e scarica può essere analizzato per prevedere la durata complessiva della batteria.
Conclusione
La curva di carica e scarica di una batteria al litio rappresenta la relazione tra la tensione e la capacità di scarica della batteria, nonché la curva di capacità residua (SOC). Si tratta di un metodo importante per analizzare e valutare al meglio le prestazioni della batteria. Analizzando l'efficienza di carica, le caratteristiche di scarica, la capacità, la resistenza interna e la durata del ciclo, è possibile ottenere una comprensione completa delle prestazioni della batteria. Questo approccio analitico è fondamentale per l'ottimizzazione della progettazione della batteria, il controllo qualità e la selezione delle applicazioni. Nelle applicazioni pratiche, la combinazione di diversi metodi di test e tecniche di analisi dei dati consente una valutazione più accurata delle prestazioni della batteria al litio, garantendo il funzionamento affidabile di vari dispositivi elettronici e utensili elettrici.
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