锂电池防爆技术知识

锂电池防爆技术知识锂电池 防爆技术锂离子电池已经成为可携式电子产品的首选电池。 这种电池容量密度高、 价格具竞争力， 预计未来几年仍将是市场主流。但是 锂电池 却一直潜藏着爆炸的危险。由于 应用愈来愈广，爆炸事件也就层出不穷。其实，透过正确的电池系统设计及电芯等级判定，锂离子电池是可以做到非常安全的。目前防爆线路及防爆电芯技术都已成 熟，爆炸事件应该可以愈来愈少。锂离子电池特性锂是化学周期表上直径最小也最活泼的金属。 体积小所以容量密度高， 广受消费者与工程师欢迎。 但是，化学特性太活泼， 则带来了极高的危险性。 锂金属暴露在空 气中时， 会与氧气产生激烈的氧化反应而爆炸。为了提升安全性及电压，科学家们发明了用石墨及钴酸锂等材料来储存锂原子。这些材料的分子结构，形成了奈米等 级的细小储存格子，可用来储存锂原子。这样一来，即使是电池外壳破裂，氧气进入，也会因氧分子太大， 进不了这些细小的储存格， 使得锂原子不会与氧气接触而 避免爆炸。 锂离子电池的这种原理，使得人们在获得高容量密度的同时，也达到安全的目的。锂离子电池充电时，正极的锂原子会丧失电子，氧化为锂离子。锂离子经由电解液游到负极去，进入负极的储存格，并获得一个电子，还原为锂原子。放电时，整个 程序倒过来。为了防止电池的正负极直接碰触而短路，电池内会再加上一种拥有众多细孔的隔膜纸，来防止短路。好的隔膜纸还可以在电池温度过高时，自动关闭细 孔，让锂离子无法穿越，以自废武功，防止危险发生。保护措施锂电池 芯过充到电压高于 4.2V 后，会开始产生副作用。过充电压愈高，危险性也跟着愈高。锂电芯电压高于 4.2V 后，正极材料内剩下的锂原子数量不到一 半，此时储存格常会垮掉，让电池容量产生永久性的下降。如果继续充电，由于负极的储存格已经装满了锂原子，后续的锂金属会堆积于负极材料表面。这些锂原子 会由负极表面往锂离子来的方向长出树枝状结晶。 这些锂金属结晶会穿过隔膜纸， 使正负极短路。有时在短路发生前电池就先爆炸， 这是因为在过充过程， 电解液等 材料会裂解产生气体，使得电池外壳或压力阀鼓涨破裂，让氧气进去与堆积在负极表面的锂原子反应，进而爆炸。因此， 锂电池 充电时，一定要设定电压上限，才可 以同时兼顾到电池的寿命、容量、和安全性。最理想的充电电压上限为 4.2V 。锂电芯放电时也要有电压下限。当电芯电压低于 2.4V 时，部分材料会开始被破坏。又由于电池会自放电，放愈久电压会愈低，因此，放电时最好不要放到 2.4V 才停止。 锂电池 从 3.0V 放电到 2.4V 这段期间，所释放的能量只占电池容量的 3 左右。因此， 3.0V 是一个理想的放电截止电压。充放电时，除了电压的限制，电流的限制也有其必要。电流过大时，锂离子来不及进入储存格，会聚集于材料表面。这些锂离子获得电子后，会在材料表面产生锂原子结晶，这与过充一样，会造成危险性。万一电池外壳破裂，就会爆炸。因此，对锂离子电池的保护，至少要包含充电电压上限、放电电压下限、及电流上限三项。一般 锂电池组内，除了 锂电池 芯外，都会有一片保护板，这片保护板主 要就是提供这三项保护。但是，保护板的这三项保护显然是不够的， 全球 锂电池 爆炸事件还是频传。 要确保电池系统的安全性，必须对电池爆炸的原因，进行更仔细 的分析。爆炸类型分析电池芯爆炸的类形可归纳为外部短路、内部短路、及过充三种。此处的外部系指电芯的外部，包含了电池组内部绝缘设计不良等所引起的短路。当电芯外部发生短路，电子组件又未能切断回路时，电芯内部会产生高热，造成部分电解液汽化，将电池外壳撑大。当电池内部温度高到 135 摄氏度时，质量好的 隔膜纸，会将细孔关闭，电化学反应终止或近乎终止，电流骤降，温度也慢慢下降，进而避免了爆炸发生。但是，细孔关闭率太差，或是细孔根本不会关闭的隔膜 纸，会让电池温度继续升高，更多的电解液汽化，最后将电池外壳撑破，甚至将电池温度提高到使材料燃烧并爆炸内部短路主要是因为铜箔与铝箔的毛刺穿破隔膜， 或是锂原子的树枝状结晶穿破膈膜所造成。这些细小的针状金属，会造成微短路。由于，针很细有一定的电阻值，因此，电流不见得会很大。铜铝箔毛刺系在生产过 程造成，可观察到的现象是电池漏电太快，多数可被电芯厂或是组装厂筛检出来。而且，由于毛刺细小，有时会被烧断，使得电池又恢复正常。因此，因毛刺微短路 引发爆炸的机率不高。这样的说法， 可以从各电芯厂内部都常有充电后不久， 电压就偏低的不良电池， 但是却鲜少发生爆炸事件，得到统计上的支持。因此，内部短路引发的爆炸，主要还 是因为过充造成的。因为，过充后极片上到处都是针状锂金属结晶，刺穿点到处都是，到处都在发生微短路。因此，电池温度会逐渐升高，最后高温将电解液气体。 这种情形，不论是温度过高使材料燃烧爆炸，还是外壳先被撑破，使空气进去与锂金属发生激烈氧化，都是爆炸收场。但是过充引发内部短路造成的这种爆炸，并不一定发生在充电的当时。有可能电池温度还未高到让材料燃烧、产生的气体也未足以撑破电池外壳时，消费者就终止充 电，带手机出门。这时众多的微短路所产生的热，慢慢的将电池温度提高，经过一段时间后，才发生爆炸。消费者共同的描述都是拿起手机时发现手机很烫，扔掉后 就爆炸。综合以上爆炸的类型， 我们可以将防爆重点放在过充的防止、 外部短路的防止、 及提升电芯安全性三方面。其中过充防止及外部短路防止属于电子防护，与电池系统设计及电池组装有较大关系。电芯安全性提升之重点为化学与机械防护，与电池芯制造厂有较大关系。