鉅大LARGE | 點擊量：1318次 | 2018年12月08日
鋰離子電池為什么存在安全隱患
鋰系電池是近20年來發展最快的電池體系，目前被廣泛用于電子產品。而近來發生的手機、筆記本電腦爆炸本質上就是電池爆炸。手機和筆記本電池到底是什么樣的，如何工作，為什么會發生爆炸，如何避免爆炸，這些都是廣大讀者關心的問題，本文將一一深入進行探討。
原理解構
鋰系電池分為鋰電池和鋰離子電池。目前手機和筆記本電腦使用的都是鋰離子電池，通常人們俗稱其為鋰電池。本文將討論目前手機等使用的鋰離子電池，而真正的鋰電池由于危險性大，沒有應用于日常電子產品。
鋰離子電池以碳素材料為負極，以含鋰的化合物作正極，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池。鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池的總稱。鋰離子電池的充放電過程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過程中，同時伴隨著與鋰離子等當量電子的嵌入和脫嵌（習慣上正極用嵌入或脫嵌表示，而負極用插入或脫插表示）。在充放電過程中，鋰離子在正、負極之間往返嵌入/脫嵌和插入/脫插，被形象地稱為“搖椅電池”。
鋰離子電池能量密度大，平均輸出電壓高。自放電小，每月在10%以下。沒有記憶效應。工作溫度范圍寬為-20℃～60℃。循環性能優越、可快速充放電、充電效率高達100%，而且輸出功率大。使用壽命長。沒有環境污染，被稱為綠色電池。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
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%
充電是電池重復使用的重要步驟，鋰離子電池的充電過程分為兩個階段：恒流快充階段（指示燈呈紅色或黃色）和恒壓電流遞減階段（指示燈呈綠色）。恒流快充階段，電池電壓逐步升高到電池的標準電壓，隨后在控制芯片下轉入恒壓階段，電壓不再升高以確保不會過充，電流則隨著電池電量的上升逐步減弱到0，而最終完成充電。電量統計芯片通過記錄放電曲線可以抽樣計算出電池的電量。鋰離子電池在多次使用后，放電曲線會發生改變，鋰離子電池雖然不存在記憶效應，但是充電不當會嚴重影響電池性能。
鋰離子電池過度充放電會對正負極造成永久性損壞。過度放電導致負極碳片層結構出現塌陷，而塌陷會造成充電過程中鋰離子無法插入；過度充電使過多的鋰離子嵌入負極碳結構，而造成其中部分鋰離子再也無法釋放出來。
充電量等于充電電流乘以充電時間，在充電控制電壓一定的情況下，充電電流越大（充電速度越快），充電電量越小。電池充電速度過快和終止電壓控制點不當，同樣會造成電池容量不足，實際是電池的部分電極活性物質沒有得到充分反應就停止充電，這種充電不足的現象隨著循環次數的增加而加劇。
安全隱患
鋰離子電池的安全性問題，不僅與池材料本身性質有關，而且與電池制備技術和使用有關。手機電池頻頻發生爆炸事件，一方面是由于保護電路失效，但更重要的是在于材料方面并沒有根本的解決問題。
鈷酸鋰正極活性材料在小電芯方面是很成熟的體系，但是充滿電后，仍舊有大量的鋰離子留在正極，當過充時，殘留在正極的鋰離子將會涌向負極，在負極上形成枝晶是采用鈷酸鋰材料的電池過充時必然的結果，甚至在正常充放電過程中，也有可能會有多余的鋰離子游離到負極形成枝晶，鈷酸鋰材料的理論比能量是超過每克270毫安時的，但為保證其循環性能，實際使用容量只有理論容量的一半。在使用過程中，由于某種原因（如管理系統損壞）而導致電池充電電壓過高，正極中剩余的一部分鋰就會脫出，經電解液到負極表面以金屬鋰的形式沉積形成枝晶。枝晶刺穿隔膜，形成內部短路。
電解液的主要成分為碳酸酯，閃點很低，沸點也較低，在一定條件下會燃燒甚至爆炸。如電池出現過熱，會導致電解液中的碳酸酯被氧化和還原，產生大量氣體和更多的熱，如缺少安全閥或者氣體來不及通過安全閥釋放，電池內壓便會急劇上升而引起爆炸。
聚合物電解質鋰離子電池并沒有從根本上解決安全性問題，同樣使用鈷酸鋰和有機電解液，而且電解液為膠狀，不易泄漏，將會發生更猛烈的燃燒，燃燒是聚合物電池安全性最大的問題。
在使用方面也存在一些問題，電池發生外部短路或內部短路將產生幾百安培的過大電流。外部短路時電池瞬間大電流放電，在內阻上消耗大量能量，產生巨大熱量。內部短路形成大電流，溫度上升導致隔膜熔化，短路面積擴大，進而形成惡性循環。
鋰離子電池為達到單只電芯3～4.2V的高工作電壓，必須采取分解電壓大于2V的有機電解液，而采用有機電解液在大電流、高溫的條件下會被電解，電解產生氣體，導致內部壓力升高，嚴重會沖破殼體。
過充可能會析出金屬鋰，在殼體破裂的情況下，與空氣直接接觸，導致燃燒，同時引燃電解液，發生強烈火焰，氣體急速膨脹，發生爆炸。
另外，對于手機鋰離子電池，由于使用不當，如擠壓、沖擊和進水等導致電池膨脹、變形和開裂等，這些都會導致電池短路，在放電或充電過程放熱引起爆炸。
安全性設計
為了避免因使用不當造成電池過放電或者過充電，在單體鋰離子電池內設有三重保護機構。一是采用開關元件，當電池內的溫度上升時，它的阻值隨之上升，當溫度過高時，會自動停止供電；二是選擇適當的隔板材料，當溫度上升到一定數值時，隔板上的微米級微孔會自動溶解掉，從而使鋰離子不能通過，電池內部反應停止；三是設置安全閥（就是電池頂部的放氣孔），電池內部壓力上升到一定數值時，安全閥自動打開，保證電池的使用安全性。
有時，電池本身雖然有安全控制措施，但是因為某些原因造成控制失靈，缺少安全閥或者氣體來不及通過安全閥釋放，電池內壓便會急劇上升而引起爆炸。
一般情況下，鋰離子電池儲存的總能量和其安全性是成反比的，隨著電池容量的增加，電池體積也在增加，其散熱性能變差，出事故的可能性將大幅增加。對于手機用鋰離子電池，基本要求是發生安全事故的概率要小于百萬分之一，這也是社會公眾所能接受的最低標準。而對于大容量鋰離子電池，特別是汽車等用大容量鋰離子電池，采用強制散熱尤為重要。
選擇更安全的電極材料，選擇錳酸鋰材料，在分子結構方面保證了在滿電狀態，正極的鋰離子已經完全嵌入到負極炭孔中，從根本上避免了枝晶的產生。同時錳酸鋰穩固的結構，使其氧化性能遠遠低于鈷酸鋰，分解溫度超過鈷酸鋰100℃，即使由于外力發生內部短路（針刺），外部短路，過充電時，也完全能夠避免了由于析出金屬鋰引發燃燒、爆炸的危險。
另外，采用錳酸鋰材料還可以大幅度降低成本。
提高現有安全控制技術的性能，首先要提高鋰離子電池芯的安全性能，這對大容量電池尤為重要。選擇熱關閉性能好的隔膜，隔膜的作用是在隔離電池正負極的同時，允許鋰離子的通過。當溫度升高時，在隔膜熔化前進行關閉，從而使內阻上升至2000歐姆，讓內部反應停止下來。
當內部壓力或溫度達到預置的標準時，防爆閥將打開，開始進行卸壓，以防止內部氣體積累過多，發生形變，最終導致殼體爆裂。
提高控制靈敏度、選擇更靈敏的控制參數和采用多個參數的聯合控制（這對于大容量電池尤為重要）。對于大容量鋰離子電池組是串/并聯的多個電芯組成，如筆記本電腦的電壓為10V以上，容量較大，一般采用3～4個單電池串聯就可以滿足電壓要求，然后再將2～3個串聯的電池組并聯，以保證較大的容量。
大容量電池組本身必須設置較為完善的保護功能，還應考慮兩種電路基板模塊:保護電路基板（ProtectionBoardPCB）模塊及SmartBatteryGaugeBoard模塊。整套的電池保護設計包括：第1級保護IC（防止電池過充、過放、短路），第2級保護IC（防止第2次過壓）、保險絲、LED指示、溫度調節等部件。
在多級保護機制下，即使是在電源充電器、筆記本電腦出現異常的情況下,筆記本電池也只能轉為自動保護狀態，如果情況不嚴重,往往在重新插拔后還能正常工作，不會發生爆炸。
目前，筆記本電腦和手機使用的鋰離子電池所采用的底層技術是不安全的，需要考慮更安全的結構。
總之，隨著材料技術的進步和人們對鋰離子電池設計、制造、檢測和使用諸方面要求的認識不斷加深，未來的鋰離子電池會變得更安全。
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