18650电池热失控机理与防爆阀泄压的设计方案

     2023-04-06 次浏览

摘要：本文综述了18650电池的构造及工作原理、控制方程、热失控机理分析以及防爆阀泄压的设计方案。18650电池的主要构造包括正极材料、负极材料、电解质和隔膜等部件，热失控是由于过度充放电、过热或机械损伤等原因导致电池内部发生失控反应，而防爆阀泄压的主要作用则是在电池内部压力升高时，将气体安全地泄放出来，以避免电池的过度加热和热失控。通过分析各种18650电池厂家的防爆阀泄压设计，我们可以发现不同厂家采用了不同的设计方法和技术，来确保电池的安全和可靠性。

关键词：18650电池；热失控机理；防爆阀泄压；设计方案

1. 引言

18650电池是一种锂离子电池，因其直径为18毫米、长度为65毫米而得名，广泛用于电子产品、电动工具、手机等血量上的应用场景中。然而，18650电池在高温、过度充放电或机械损伤等情况下，容易发生热失控现象，引起爆炸等严重危险。为了确保电池的安全性，在18650电池内部安装防爆阀泄压装置已成为一种常用的设计方案。

本文旨在探讨18650电池热失控机理、防爆阀泄压的设计方案，以及各个厂家的设计做法，以期为相关技术人员提供参考和借鉴。

2. 18650电池构造及工作原理

18650电池的主要构造如下：

2.1. 正极材料：主要包括锂、镍、钴、锰、铁等金属元素。锂离子电池正极材料中，锰酸锂材料是比较常见的一种。

2.2. 负极材料：主要是石墨材料，其化学式为C。

2.3. 电解质：电解质是分离正负极的介质，由聚合物材料和溶剂组成。常用的电解质材料为聚合物电解质。

2.4. 隔膜：隔膜是用于隔离正负极的薄膜，通常采用聚烯烃等材料制成。

按照上述材料构造出的18650电池，在正极和负极之间形成了一个 离子导体 电解质。在18650电池的充放电过程中，锂离子通过电解质在正极和负极之间传递。在充电时，电子从外部电源流入电池负极，使负极中的锂离子被释放出来，同时正极中的锂离子被电子接受，从而电池负极脱离锂离子，正极接受锂离子。在放电时，负极接受锂离子，而正极脱离锂离子，电子流经外部电源，以驱动负载的运转。

3. 18650电池的控制方程

18650电池的数学模型可以表述为如下形式的准则方程：

直流电路方程为：

$$I=\frac{U}{R}$$

计算电池的工作电压，这可以使用以下方程：

$$V=V^{0}-\frac{I\ast R}{F}\ast ln(\frac{c_{a,0}}{c_{a}})$$

其中，$V^{0}$表示反应活化能，$I$表示电流强度，$R$表示热力学气体常数，$F$表示法拉第常数，$c_{a,0}$是电池初电量，$c_{a}$是当前电量。

通过以上方程，可以计算出18650电池的工作电压，从而进行必要的电路计算或热力学分析。

4. 18650电池热失控机理分析

在使用和充电过程中，18650电池内部可能会发生热失控，导致电池过度加热或爆炸。热失控的机理主要有以下三个原因：

4.1. 过量充电：如果充电时间过长或充电电流过大，将会导致电池内部产生高温，从而导致电池热失控。

4.2. 过度放电：如果过度放电会导致电池内部的化学结构发生变化，导致电池热失控。

4.3. 机械损伤：电池在使用过程中，如果遭到振动或冲击等外力导致机械损伤，将会引发热失控，从而产生危险。

5. 18650电池防爆阀结构设计

为了避免18650电池过热和热失控，可以在电池内部设置防爆阀泄压，以确保在电池内部压力升高时，安全地泄放出来。不同厂家使用了不同的技术和设计方案，以确保电池的安全性和稳定性。例如：

5.1. Panasonic采用安全阀、压力释放孔和泄放刻度线设计，同时根据压力大小及泄压保护等级进行设计。

5.2. Samsung的安全阀包括了硅质材料，其耐压性能十分好。

5.3. LG采用了内阻尼、泄压孔和灯泡结构等设计方案。

5.4. Sony主要是采用高压电解液剂量控制阀门、防爆或喷雾装置。

综合以上设计方案，我们可以发现，安全阀泄压的设计方法和技术各不相同，但都能确保电池在高温和高压情况下的稳定和安全工作。

6. 结论

本文对18650电池的构造及工作原理、控制方程、热失控机理分析以及防爆阀泄压的设计方案进行了综述。我们了解18650电池。它是一种非常常见的锂离子电池，得名于它的直径为18毫米、长度为65毫米。它通常用于电子产品（如笔记本电脑，电动工具，手机等）和电动汽车等应用中。18650电池在高性能、重量轻和长寿命方面表现卓越，因此在许多方面得到广泛应用。但是需要注意的是，18650电池在使用过程中需要注意安全，不要过度充电或短路等操作，以免引发火灾或爆炸等事故。

当18650电池在使用或充电期间发生过热时，由于电池内部压力的不断增加，可能会引发热失控（thermal runaway）现象。在这种情况下，电池中的化学物质可能会因温度过高而爆炸或释放有毒气体，对人身和环境都带来不可避免的危害。

为了避免这种事故的发生，通常会在18650电池中设置防爆阀泄压（pressure relief valve, PRV），以确保在电池内部压力升高时，安全地泄放出来。防爆阀泄压，是指当电池内部压力升高到一定程度时，电池上的安全阀会自动打开，将电池内部的气体泄放出来，从而避免了电池的爆炸。

防爆阀泄压的过程是由电池内部压力控制。当电池内部压力超过安全阀泄压的压力偏移量时，阀门就会打开并释放出热解气体，以防止电池过热。因此，如果防爆阀工作正常，可以有效地避免热失控和爆炸等事故的发生。

总的来说，防爆阀泄压是为了保证电池的安全性，防止电池因压力过高而引起危险的措施。在使用18650电池时，我们应当选择质量可靠的电池，并且按照电池的使用说明书使用，以确保电池的安全和稳定。