ความเสียหายจากการขยายตัวของแบตเตอรี่ลิเธียม

ลักษณะของเปลือก
ลิเธียมซึ่งมีเลขอะตอม 3 และน้ำหนักอะตอม 6.941 เป็นธาตุโลหะอัลคาไลที่เบาที่สุด เพื่อปรับปรุงความปลอดภัยและแรงดันไฟฟ้า นักวิทยาศาสตร์ได้คิดค้นวัสดุเช่นกราไฟท์และลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์เพื่อกักเก็บอะตอมของลิเธียม โครงสร้างโมเลกุลของวัสดุเหล่านี้ก่อให้เกิดกริดจัดเก็บขนาดเล็กระดับนาโนที่สามารถใช้เก็บอะตอมลิเธียมได้ ด้วยวิธีนี้ แม้ว่าปลอกแบตเตอรี่จะแตกและมีออกซิเจนเข้าไป เนื่องจากโมเลกุลออกซิเจนมีขนาดใหญ่ พวกมันก็ไม่สามารถเข้าไปในช่องเก็บของขนาดเล็กเหล่านี้ได้ เพื่อป้องกันไม่ให้อะตอมลิเธียมสัมผัสกับออกซิเจนและหลีกเลี่ยงการระเบิด
มาตรการป้องกัน
หลังจากชาร์จเซลล์แบตเตอรี่ลิเธียมมากเกินไปจนมีแรงดันไฟฟ้าสูงกว่า 4.2V ผลข้างเคียงจะเริ่มเกิดขึ้น ยิ่งแรงดันไฟชาร์จเกินสูงเท่าไร อันตรายก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น เมื่อแรงดันไฟฟ้าของเซลล์แบตเตอรี่ลิเธียมเกิน 4.2V อะตอมลิเธียมน้อยกว่าครึ่งหนึ่งจะยังคงอยู่ในวัสดุอิเล็กโทรดบวก ส่งผลให้ช่องเก็บของพังทลายลง และส่งผลให้สูญเสียความจุของแบตเตอรี่อย่างถาวร หากการชาร์จยังคงดำเนินต่อไป เนื่องจากช่องเก็บของอิเล็กโทรดลบเต็มไปด้วยอะตอมลิเธียม โลหะลิเธียมที่ตามมาจะสะสมบนพื้นผิวของวัสดุอิเล็กโทรดลบ อะตอมลิเธียมเหล่านี้จะเติบโตผลึกเดนไดรต์จากพื้นผิวอิเล็กโทรดลบไปในทิศทางของลิเธียมไอออน ผลึกโลหะลิเธียมเหล่านี้จะผ่านตัวแยก ทำให้เกิดการลัดวงจรระหว่างขั้วบวกและขั้วลบ บางครั้งแบตเตอรี่ระเบิดก่อนที่จะเกิดไฟฟ้าลัดวงจร เนื่องจากในระหว่างการชาร์จเกิน วัสดุ เช่น อิเล็กโทรไลต์ จะสลายตัวและเกิดก๊าซ ส่งผลให้ปลอกแบตเตอรี่หรือวาล์วแรงดันพองตัวและแตกร้าว ทำให้ออกซิเจนเข้าไปและทำปฏิกิริยากับอะตอมลิเธียมที่สะสมอยู่บนขั้วไฟฟ้าลบ พื้นผิวทำให้เกิดการระเบิด
ดังนั้นเมื่อชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียม จึงจำเป็นต้องตั้งค่าขีดจำกัดบนของแรงดันไฟฟ้าเพื่อพิจารณาอายุการใช้งาน ความจุ และความปลอดภัยของแบตเตอรี่ไปพร้อมๆ กัน ขีดจำกัดบนที่เหมาะสมของแรงดันไฟฟ้าในการชาร์จคือ 4.2V ควรมีขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่าเมื่อทำการคายประจุแบตเตอรี่ลิเธียม เมื่อแรงดันไฟฟ้าของเซลล์แบตเตอรี่ต่ำกว่า 2.4V วัสดุบางชนิดจะเริ่มได้รับความเสียหาย เนื่องจากแบตเตอรี่คายประจุเอง แรงดันไฟฟ้าจะลดลงเมื่อเวลาผ่านไป ดังนั้นจึงเป็นการดีที่สุดที่จะไม่ปล่อยประจุไปที่ 2.4V ก่อนที่จะหยุด ในช่วงระยะเวลาคายประจุตั้งแต่ 3.0V ถึง 2.4V พลังงานที่ปล่อยออกมาจากแบตเตอรี่ลิเธียมคิดเป็นเพียงประมาณ 3% ของความจุของแบตเตอรี่เท่านั้น ดังนั้น 3.0V จึงเป็นแรงดันไฟฟ้าตัดจำหน่ายในอุดมคติ ในระหว่างการชาร์จและการคายประจุ นอกเหนือจากข้อจำกัดด้านแรงดันไฟฟ้าแล้ว ยังจำเป็นต้องมีข้อจำกัดด้านกระแสอีกด้วย เมื่อกระแสไฟฟ้าสูงเกินไป ลิเธียมไอออนจะไม่สามารถเข้าสู่เซลล์จัดเก็บได้ทันเวลา และจะสะสมบนพื้นผิวของวัสดุ
หลังจากได้รับอิเล็กตรอน ลิเธียมไอออนเหล่านี้จะผลิตผลึกอะตอมลิเธียมบนพื้นผิวของวัสดุ ซึ่งอาจทำให้เกิดอันตรายได้เช่นเดียวกับการอัดประจุมากเกินไป หากปลอกแบตเตอรี่แตกก็จะระเบิด ดังนั้น การป้องกันแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนควรมีอย่างน้อย 3 รายการ ได้แก่ ขีดจำกัดบนของแรงดันไฟฟ้าในการชาร์จ ขีดจำกัดล่างของแรงดันไฟฟ้าในการคายประจุ และขีดจำกัดบนของกระแส ในชุดแบตเตอรี่ลิเธียมทั่วไป นอกเหนือจากเซลล์แบตเตอรี่ลิเธียมแล้ว ยังมีแผ่นป้องกันที่ให้การปกป้องทั้งสามประการนี้เป็นหลัก อย่างไรก็ตาม เห็นได้ชัดว่าการป้องกันทั้งสามประการของแผงป้องกันยังไม่เพียงพอ และเหตุการณ์การระเบิดของแบตเตอรี่ลิเธียมทั่วโลกยังคงเกิดขึ้นบ่อยครั้ง เพื่อให้มั่นใจในความปลอดภัยของระบบแบตเตอรี่ จะต้องดำเนินการวิเคราะห์สาเหตุของการระเบิดของแบตเตอรี่อย่างรอบคอบมากขึ้น