鉅大LARGE | 點擊量：771次 | 2021年12月06日
鋰離子電池發(fā)鼓脹氣和爆炸原由分解
一、鋰離子電池特性
鋰是化學(xué)周期表上直徑最小也最活潑的金屬。體積小所以容量密度高，廣受消費者與工程師歡迎。但是，化學(xué)特性太活潑，則帶來了極高的危險性。鋰金屬暴露在空氣中時，會與氧氣出現(xiàn)猛烈的氧化反應(yīng)而爆炸。為了提升安全性及電壓，科學(xué)家們發(fā)明了用石墨及鈷酸鋰等材料來儲存鋰原子。這些材料的分子結(jié)構(gòu)，形成了奈米等級的細(xì)小儲存格子，可用來儲存鋰原子。這樣一來，即使是電池外殼破碎，氧氣進(jìn)入，也會因氧分子太大，進(jìn)不了這些細(xì)小的儲存格，使得鋰原子不會與氧氣接觸而戒備爆炸。
鋰離子電池的這種原理，使得人們在獲得它高容量密度的同時，也達(dá)到安全的目的。鋰離子電池充電時，正極的鋰原子會喪失電子，氧化為鋰離子。鋰離子經(jīng)由電解液游到負(fù)極去，進(jìn)入負(fù)極的儲存格，并獲得一個電子，還原為鋰原子。放電時，整個程序倒過來。為了戒備電池的正負(fù)極筆直碰觸而短路，電池內(nèi)會再加上一種擁有眾多細(xì)孔的隔膜紙，來戒備短路。好的隔膜紙還可以在電池溫度過高時，自動封閉細(xì)孔，讓鋰離子無法穿越，以自廢武功，戒備危險發(fā)生。
保護(hù)措施：鋰離子電池電芯過充到電壓高于4.2V后，會開始出現(xiàn)副用途。過充電壓愈高，危險性也跟著愈高。鋰電芯電壓高于4.2V后，正極材料內(nèi)剩下的鋰原子數(shù)量不到一半，此時儲存格常會垮掉，讓電池容量出現(xiàn)永久性的下降。倘若持續(xù)充電，由于負(fù)極的儲存格已經(jīng)裝滿了鋰原子，后續(xù)的鋰金屬會堆積于負(fù)極材料表面。這些鋰原子會由負(fù)極表面往鋰離子來的方向長出樹枝狀結(jié)晶。這些鋰金屬結(jié)晶會穿過隔膜紙，使正負(fù)極短路。有時在短路發(fā)生前電池就先爆炸，這是因為在過充過程，電解液等材料會裂解出現(xiàn)氣體，使得電池外殼或壓力閥鼓漲破碎，讓氧氣進(jìn)去與堆積在負(fù)極表面的鋰原子反應(yīng)，進(jìn)而爆炸。
因此，鋰離子電池充電時，一定要設(shè)定電壓上限，才可以同時兼顧到電池的壽命、容量、和安全性。最理想的充電電壓上限為4.2V。鋰電芯放電時也要有電壓下限。當(dāng)電芯電壓低于2.4V時，部分材料會開始被破壞。又由于電池會自放電，放愈久電壓會愈低，因此，放電時最好不要放到2.4V才停止。鋰離子電池從3.0V放電到2.4V這段期間，所釋放的能量只占電池容量的3%左右。因此，3.0V是一個理想的放電截止電壓。充放電時，除了電壓的限制，電流的限制也有其必要。電流過大時，鋰離子來不及進(jìn)入儲存格，會集中于材料表面。這些鋰離子獲得電子后，會在材料表面出現(xiàn)鋰原子結(jié)晶，這與過充相同，會造成危險性。萬一電池外殼破碎，就會爆炸。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
因此，對鋰離子電池的保護(hù)，至少要蘊含：充電電壓上限、放電電壓下限、及電流上限三項。一般鋰離子電池包內(nèi)，除了鋰離子電池芯外，都會有一片保護(hù)板，這片保護(hù)板緊要就是供應(yīng)這三項保護(hù)。但是，保護(hù)板的這三項保護(hù)顯然是不夠的，全球鋰離子電池爆炸事件還是頻傳。
要確保電池系統(tǒng)的安全性，非得對電池爆炸的原由，進(jìn)行更仔細(xì)的分解。
二、電池爆炸原由：
1、內(nèi)部極化較大；
2、極片吸水,與電解液發(fā)生反應(yīng)氣鼓；
3、電解液本身的質(zhì)量,性能問題；
4、注液時候注液量達(dá)不到工藝要求；
5、裝配制程中激光焊焊接密封性能差,漏氣.測漏氣漏測；
6、粉塵,極片粉塵首先易導(dǎo)致微短路,詳盡原由未知；
7、正負(fù)極片較工藝范圍偏厚,入殼難；
8、注液封口問題,鋼珠密封性能不好導(dǎo)致氣鼓；
9、殼體來料存在殼壁偏厚,殼體變形影響厚度；
三、爆炸類型分解
電池芯爆炸的類形可歸納為外部短路、內(nèi)部短路、及過充三種。
此處的外部系指電芯的外部，蘊含了電池包內(nèi)部絕緣設(shè)計不良等所引起的短路。當(dāng)電芯外部發(fā)生短路，電子組件又未能切斷回路時，電芯內(nèi)部會出現(xiàn)高熱，造成部分電解液汽化，將電池外殼撐大。當(dāng)電池內(nèi)部溫度高到135攝氏度時，質(zhì)量好的隔膜紙，會將細(xì)孔封閉，電化學(xué)反應(yīng)終止或近乎終止，電流驟降，溫度也慢慢下降，進(jìn)而戒備了爆炸發(fā)生。但是，細(xì)孔封閉率太差，或是細(xì)孔根本不會封閉的隔膜紙，會讓電池溫度持續(xù)升高，更多的電解液汽化，最后將電池外殼撐破，甚至將電池溫度提高到使材料燃燒并爆炸。
內(nèi)部短路緊要是因為銅箔與鋁箔的毛刺穿破隔膜，或是鋰原子的樹枝狀結(jié)晶穿破膈膜所造成。這些細(xì)小的針狀金屬，會造成微短路。由于，針很細(xì)有一定的電阻值，因此，電流不見得會很大。銅鋁箔毛刺系在加工過程造成，可觀察到的現(xiàn)象是電池漏電太快，多數(shù)可被電芯廠或是組裝廠篩檢出來。而且，由于毛刺細(xì)小，有時會被燒斷，使得電池又恢復(fù)正常。因此，因毛刺微短路引發(fā)爆炸的機率不高。這樣的說法，可以從各電芯廠內(nèi)部都常有充電后不久，電壓就偏低的不良電池，但是卻鮮少發(fā)生爆炸事件，得到統(tǒng)計上的支持。因此，內(nèi)部短路引發(fā)的爆炸，緊要還是因為過充造成的。因為，過充后極片上到處都是針狀鋰金屬結(jié)晶，刺穿點到處都是，到處都在發(fā)生微短路。因此，電池溫度會逐漸升高，最后高溫將電解液氣體。這種情形，不論是溫度過高使材料燃燒爆炸，還是外殼先被撐破，使空氣進(jìn)去與鋰金屬發(fā)生猛烈氧化，都是爆炸收場。
但是過充引發(fā)內(nèi)部短路造成的這種爆炸，并不一定發(fā)生在充電的當(dāng)時。有可能電池溫度還未高到讓材料燃燒、出現(xiàn)的氣體也未足以撐破電池外殼時，消費者就終止充電，帶手機出門。這時眾多的微短路所出現(xiàn)的熱，慢慢的將電池溫度提高，經(jīng)過一段時間后，才發(fā)生爆炸。消費者共同的描述都是拿起手機時發(fā)現(xiàn)手機很燙，扔掉后就爆炸。
綜合以上爆炸的類型，我們可以將防爆重點放在過充的戒備、外部短路的戒備、及提升電芯安全性三方面。其中過充戒備及外部短路戒備屬于電子防護(hù)，與電池系統(tǒng)設(shè)計及電池包裝有較大關(guān)系。電芯安全性提升之重點為化學(xué)與機械防護(hù)，與電池芯制造廠有較大關(guān)系。
