鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：1511次 | 2018年05月04日
鋰離子電池的安全隱患及安全設(shè)計(jì)
鋰離子電池-安全隱患：
鋰離子電池的安全性問(wèn)題，不僅與池材料本身性質(zhì)有關(guān)，而且與電池制備技術(shù)和使用有關(guān)。手機(jī)電池頻頻發(fā)生爆炸事件，一方面是由于保護(hù)電路失效，但更重要的是在于材料方面并沒(méi)有根本的解決問(wèn)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(dāng)過(guò)充時(shí)，殘留在正極的鋰離子將會(huì)涌向負(fù)極，在負(fù)極上形成枝晶是采用鈷酸鋰材料的電池過(guò)充時(shí)必然的結(jié)果，甚至在正常充放電過(guò)程中，也有可能會(huì)有多余的鋰離子游離到負(fù)極形成枝晶，鈷酸鋰材料的理論比能量是超過(guò)每克270毫安時(shí)的，但為保證其循環(huán)性能，實(shí)際使用容量只有理論容量的一半。在使用過(guò)程中，由于某種原因（如管理系統(tǒng)損壞）而導(dǎo)致電池充電電壓過(guò)高，正極中剩余的一部分鋰就會(huì)脫出，經(jīng)電解液到負(fù)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(nèi)部短路。
電解液的主要成分為碳酸酯，閃點(diǎn)很低，沸點(diǎn)也較低，在一定條件下會(huì)燃燒甚至爆炸。如電池出現(xiàn)過(guò)熱，會(huì)導(dǎo)致電解液中的碳酸酯被氧化和還原，產(chǎn)生大量氣體和更多的熱，如缺少安全閥或者氣體來(lái)不及通過(guò)安全閥釋放，電池內(nèi)壓便會(huì)急劇上升而引起爆炸。
聚合物電解質(zhì)鋰離子電池并沒(méi)有從根本上解決安全性問(wèn)題，同樣使用鈷酸鋰和有機(jī)電解液，而且電解液為膠狀，不易泄漏，將會(huì)發(fā)生更猛烈的燃燒，燃燒是聚合物電池安全性最大的問(wèn)題。
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%
在使用方面也存在一些問(wèn)題，電池發(fā)生外部短路或內(nèi)部短路將產(chǎn)生幾百安培的過(guò)大電流。外部短路時(shí)電池瞬間大電流放電，在內(nèi)阻上消耗大量能量，產(chǎn)生巨大熱量。內(nèi)部短路形成大電流，溫度上升導(dǎo)致隔膜熔化，短路面積擴(kuò)大，進(jìn)而形成惡性循環(huán)。
鋰離子電池為達(dá)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(jī)電解液，而采用有機(jī)電解液在大電流、高溫的條件下會(huì)被電解，電解產(chǎn)生氣體，導(dǎo)致內(nèi)部壓力升高，嚴(yán)重會(huì)沖破殼體。
過(guò)充可能會(huì)析出金屬鋰，在殼體破裂的情況下，與空氣直接接觸，導(dǎo)致燃燒，同時(shí)引燃電解液，發(fā)生強(qiáng)烈火焰，氣體急速膨脹，發(fā)生爆炸。
另外，對(duì)于手機(jī)鋰離子電池，由于使用不當(dāng)，如擠壓、沖擊和進(jìn)水等導(dǎo)致電池膨脹、變形和開(kāi)裂等，這些都會(huì)導(dǎo)致電池短路，在放電或充電過(guò)程放熱引起爆炸。
鋰離子電池-安全性設(shè)計(jì)：
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備
鋰離子電池為了避免因使用不當(dāng)造成電池過(guò)放電或者過(guò)充電，在單體鋰離子電池內(nèi)設(shè)有三重保護(hù)機(jī)構(gòu)。一是采用開(kāi)關(guān)元件，當(dāng)電池內(nèi)的溫度上升時(shí)，它的阻值隨之上升，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)自動(dòng)停止供電；二是選擇適當(dāng)?shù)母舭宀牧?，?dāng)溫度上升到一定數(shù)值時(shí)，隔板上的微米級(jí)微孔會(huì)自動(dòng)溶解掉，從而使鋰離子不能通過(guò)，電池內(nèi)部反應(yīng)停止；三是設(shè)置安全閥（就是電池頂部的放氣孔），電池內(nèi)部壓力上升到一定數(shù)值時(shí)，安全閥自動(dòng)打開(kāi)，保證電池的使用安全性。
有時(shí)，電池本身雖然有安全控制措施，但是因?yàn)槟承┰蛟斐煽刂剖ъ`，缺少安全閥或者氣體來(lái)不及通過(guò)安全閥釋放，電池內(nèi)壓便會(huì)急劇上升而引起爆炸。
一般情況下，鋰離子電池儲(chǔ)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(duì)于手機(jī)用鋰離子電池，基本要求是發(fā)生安全事故的概率要小于百萬(wàn)分之一，這也是社會(huì)公眾所能接受的最低標(biāo)準(zhǔn)。而對(duì)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(qiáng)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(jié)構(gòu)方面保證了在滿電狀態(tài)，正極的鋰離子已經(jīng)完全嵌入到負(fù)極炭孔中，從根本上避免了枝晶的產(chǎn)生。同時(shí)錳酸鋰穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)，使其氧化性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鈷酸鋰，分解溫度超過(guò)鈷酸鋰100℃，即使由于外力發(fā)生內(nèi)部短路（針刺），外部短路，過(guò)充電時(shí)，也完全能夠避免了由于析出金屬鋰引發(fā)燃燒、爆炸的危險(xiǎn)。
另外，采用錳酸鋰材料還可以大幅度降低成本。
提高現(xiàn)有安全控制技術(shù)的性能，首先要提高鋰離子電池芯的安全性能，這對(duì)大容量電池尤為重要。選擇熱關(guān)閉性能好的隔膜，隔膜的作用是在隔離電池正負(fù)極的同時(shí)，允許鋰離子的通過(guò)。當(dāng)溫度升高時(shí)，在隔膜熔化前進(jìn)行關(guān)閉，從而使內(nèi)阻上升至2000歐姆，讓內(nèi)部反應(yīng)停止下來(lái)。
當(dāng)內(nèi)部壓力或溫度達(dá)到預(yù)置的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，防爆閥將打開(kāi)，開(kāi)始進(jìn)行卸壓，以防止內(nèi)部氣體積累過(guò)多，發(fā)生形變，最終導(dǎo)致殼體爆裂。
提高控制靈敏度、選擇更靈敏的控制參數(shù)和采用多個(gè)參數(shù)的聯(lián)合控制（這對(duì)于大容量電池尤為重要）。對(duì)于大容量鋰離子電池組是串/并聯(lián)的多個(gè)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(gè)單電池串聯(lián)就可以滿足電壓要求，然后再將2～3個(gè)串聯(lián)的電池組并聯(lián)，以保證較大的容量。
大容量電池組本身必須設(shè)置較為完善的保護(hù)功能，還應(yīng)考慮兩種電路基板模塊:保護(hù)電路基板（ProtectionBoardPCB）模塊及SmartBatteryGaugeBoard模塊。整套的電池保護(hù)設(shè)計(jì)包括：第1級(jí)保護(hù)IC（防止電池過(guò)充、過(guò)放、短路），第2級(jí)保護(hù)IC（防止第2次過(guò)壓）、保險(xiǎn)絲、LED指示、溫度調(diào)節(jié)等部件。
在多級(jí)保護(hù)機(jī)制下，即使是在電源充電器、筆記本電腦出現(xiàn)異常的情況下,筆記本電池也只能轉(zhuǎn)為自動(dòng)保護(hù)狀態(tài)，如果情況不嚴(yán)重,往往在重新插拔后還能正常工作，不會(huì)發(fā)生爆炸。
目前，筆記本電腦和手機(jī)使用的鋰離子電池所采用的底層技術(shù)是不安全的，需要考慮更安全的結(jié)構(gòu)。
總之，隨著材料技術(shù)的進(jìn)步和人們對(duì)鋰離子電池設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)和使用諸方面要求的認(rèn)識(shí)不斷加深，未來(lái)的鋰離子電池會(huì)變得更安全。
