鉅大LARGE | 點擊量：1003次 | 2019年02月19日
你的筆記本電池可能存在安全隱患？
還記得上兩周前，火熱朋友圈的電動車充電爆炸小視頻嗎？
而鋰離子電池（Lithium-ionbattery）則是一種充電電池。鋰離子電池通常會使用一個嵌入的鋰化合物作為電極材料，并主要依靠鋰離子在正負極之間的移動來工作——相比于傳統(tǒng)的水溶液二次電池來說，鋰離子電池具有比能量高、循環(huán)壽命長和對環(huán)境友好的顯著優(yōu)點，是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ碾姵伢w系，因而在筆記本電腦上也得到了廣泛的應(yīng)用——鋰離子電池是便攜式電子設(shè)備中最常使用的二次電池類型之一，而且在特種領(lǐng)域、純電動汽車和特種航天領(lǐng)域，也都有它的出現(xiàn)。
然而，高比能量的特點既給鋰離子電池帶來了優(yōu)勢，也同時帶來了高危風險——由于采用的是非水電解液體系，因而鋰離子電池其實是很容易發(fā)生發(fā)生不可逆的氧化分解，或者與高活性的正極材料進行化學反應(yīng)的，這些都是很容易導(dǎo)致電池爆炸和燃燒，造成危險事故的——因而，安全問題也一直是鋰離子電池應(yīng)用當中的重要課題。
今年6月的時候，馬來西亞搖籃基金私人有限公司的CEO納茲林先生就因午休時在床邊充電而喪命——過熱爆炸的鋰離子電池引發(fā)了火災(zāi)，而納茲林先生也因頭部被嚴重炸傷，最終身亡。
那么，一般導(dǎo)致鋰離子電池產(chǎn)生安全風險的，都有哪些因素，廠商又是如何保障電池安全的呢？
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%
影響鋰離子電池安全的因素
一般情況下，除了要滿足容量、內(nèi)阻和高低溫充放電性能的要求外，鋰離子電池也是需要通過各種安全性能測試的。不過，由于制造技術(shù)和運作方式等原因，它仍然會具有一定的風險——導(dǎo)致鋰離子電池爆炸的，往往是過充電、短路、熱沖擊和機械沖擊等因素。
針刺、短路和擠壓對電池安全性的影響當電池發(fā)生外部短路或受到針刺和擠壓時，常常會導(dǎo)致電池內(nèi)部隔膜的破裂，從而造成大量的電流在極短的時間內(nèi)從電池的內(nèi)部流過，并直接導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度的急劇升高，從而在很短的時間內(nèi)引發(fā)一系列的劇烈反應(yīng)——對于安全性能較差的電池，這個過程甚至會數(shù)秒內(nèi)完成，并以“殉爆”收場。由于鋰離子電池比能量很高，像2200mAh的筆記本電腦電池，單只能量可達30KJ左右，一旦發(fā)生短路，電池封口處的鋁制防爆閥往往會被熔化，從而造成用戶的財產(chǎn)損失。
熱沖擊對電池安全的影響此外，當電池受到熱沖擊時，如果熱沖擊的溫度較高，也同樣會引發(fā)“熱失控”的危險。這種情況通常會導(dǎo)致電池負極表面SEI膜發(fā)生分解，并使高度嵌鋰的負極材料與電解液發(fā)生放熱反應(yīng)——如果電池散熱速率較慢的話，就很容易導(dǎo)致電池內(nèi)部的溫度進一步升高、熔化隔膜、發(fā)生短路——并最終引發(fā)爆炸等危險事故。
過充電對電池安全的影響而日常生活當中，我們可能接觸到的電池爆炸情況，就屬過充電對電池造成的情況了。當電池發(fā)生過充時，電池內(nèi)部化學反應(yīng)所產(chǎn)生的電能就很容易轉(zhuǎn)變成熱能，并導(dǎo)致電池溫度的迅速升高。同以上兩種情況一樣，如果過充時電池的散熱能力較好，就不易引發(fā)危險——電池散熱能力較差、高倍率充電往往是這類情況的元兇，這種情況下，過渡金屬氧化物正極材料由于嚴重脫鋰、化學活性顯著增加，往往會導(dǎo)致比單純的熱沖擊更嚴重的安全問題。
生產(chǎn)商會采取的安全性措施
一般來說，對于生產(chǎn)廠商而言，安全性問題自然是能在設(shè)計環(huán)節(jié)就解決自然是最好的——因而，對于以上幾個可能導(dǎo)致電池爆炸的因素，自然也是有相應(yīng)的，設(shè)計層面的杜絕方法的，之后，通過安全監(jiān)測合格的電池，才會流入市場之中——由于鋰離子電池存在較多的安全隱患，因而，電池在設(shè)計時就必須采用一些特殊的措施以確保安全，目前采用較多的結(jié)構(gòu)設(shè)計是采用可熱封閉的隔膜、串聯(lián)正溫度系數(shù)電阻以及采用防爆蓋帽。
熱封閉隔膜當電池由于針刺或擠壓等造成很大的電流通過電池，造成電池溫度上升時，電池內(nèi)部的多孔隔膜就會迅速軟化——由于電池卷芯較緊，受到擠壓的隔膜就會因其多孔結(jié)構(gòu)的相互粘連，而形成一種幾乎完全封閉的結(jié)構(gòu)，從而停止離子的傳輸并終止化學反應(yīng)，從而達到電流被迅速切斷的目的——安全性能達標的電池，往往會在這個環(huán)節(jié)就阻止溫度的進一步上升，并使電池不再發(fā)生危險。
而并不達標的產(chǎn)品，就有可能在這一步因為隔膜在升溫時沒有形成較好的封閉結(jié)構(gòu)，或者受力不均勻引發(fā)的收縮變形，從而造成電池的內(nèi)部由于短路而發(fā)生危險。正溫度系數(shù)電阻(PTC)另外，利用電阻升溫阻值升高的原理所設(shè)計的保險措施，也同樣十分有效——當電池發(fā)生過充或者外部短路時，大量的電流會使電池所串聯(lián)的正溫度系數(shù)電阻升溫，從而導(dǎo)致電阻發(fā)熱、升高阻值，并因此降低流過電池的電流，以保障電池的安全——其設(shè)計思路和電路當中的保險絲概念類似，也同樣是比較靠譜的做法。
安全閥除了以上兩種比較常規(guī)的解決辦法外，還有一種腦洞大開的安全措施也同樣是現(xiàn)今廠商所樂于使用的。電池過充后，受熱后電解液汽化和電解液分解產(chǎn)生氣體，都有可能造成電池內(nèi)部氣壓的驟然增加，從而導(dǎo)致電池的爆炸——防爆閥或防爆膜正是為此而設(shè)計的，它們會及時破裂，釋放電池的內(nèi)壓，從而保障用戶的財產(chǎn)和人身安全（另外，圓柱型電池正極蓋帽中的防爆閥在變形的同時還可能會切斷與電極片的連接，從而防止電池發(fā)生危險）。
提高電池安全的化學方法此外，可聚合的添加劑、電壓敏感隔膜、氧化還原電對、阻燃添加劑等化學方法也同樣是廠商所經(jīng)常采用的安全措施。
安全責任重于天
因而，鋰離子電池的安全問題也應(yīng)該一直是廠商和政府重視的課題之一——今年七月份的時候，因部分筆記本電腦的電池存在安全隱患，市場監(jiān)管總局就要求戴爾和三星召回一批有問題的筆記本電池——根據(jù)公布的情況來看，三星將召回部分2012年12月至2013年7月期間制造的三星筆記本電腦配備的電池，中國大陸地區(qū)受影響的電池數(shù)量為9066個，而戴爾則將召回部分2012年11月到2014年4月期間制造的戴爾筆記本電腦電池（包括Dell911MD和Dell4YRJH兩種型號的電池），中國大陸地區(qū)受影響的電池數(shù)量為28268個。
這次召回事件牽涉的型號之多，數(shù)量之大，也正說明了鋰離子電池安全問題所受到的重視——事實上，一些專業(yè)論文中亦有指出，筆記本電腦和手機使用的鋰離子電池所采用的底層技術(shù)仍然是不夠安全的，需要考慮更安全的結(jié)構(gòu)。
當然，在過去的十年，由于電池材料熱穩(wěn)定性的提高，對電池安全性能理解的加深以及新的提高安全的裝置與措施不斷被開發(fā)出來，鋰離子電池的安全性能也的確有了較大的提高——不過，這些方法又常常是以犧牲容量的做法換來的——因而，今后改進鋰離子電池制造工藝，優(yōu)化鋰離子電池安全設(shè)計，將仍然是未來鋰離子電池制造商的主要努力方向。
總之，隨著材料技術(shù)的進步和人們對鋰離子電池設(shè)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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