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分析鋰離子電池的安全隱患

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:3729次  |  2018年05月24日  

  本期關(guān)注:鋰離子電池的安全隱患

  6月19日,甘肅省金塔縣一名電焊工人在作業(yè)時(shí),手機(jī)電池突然爆炸,導(dǎo)致其肋骨斷裂并刺破心臟而死亡。

  此事引起廣大手機(jī)使用者的疑惑和擔(dān)憂。

  而廣東省工商行政管理局官員日前披露,標(biāo)稱摩托羅拉、諾基亞的手機(jī)電池在最近的一次抽查中,部分樣品在安全測(cè)試時(shí)發(fā)生了爆炸或起火;另外一些標(biāo)稱知名品牌的手機(jī)電池充電器也存在嚴(yán)重的安全隱患。

  手機(jī)居然變成“手雷”,爆炸傷人致死。前不久發(fā)生在甘肅的這起悲劇事件再度引發(fā)公眾對(duì)鋰離子電池安全性的關(guān)注。

  與其他充電電池相比,鋰離子電池具有電壓高、比能量高、充放電壽命長(zhǎng)、無(wú)記憶效應(yīng)、無(wú)污染、快速充電、自放電率低等優(yōu)點(diǎn),1991年進(jìn)入市場(chǎng)不久即獲得消費(fèi)者的青睞?,F(xiàn)在,筆記本電腦、移動(dòng)電話、

  數(shù)碼相機(jī)、MP3等數(shù)碼產(chǎn)品大都配備了鋰離子電池,目前它正快步進(jìn)入電動(dòng)工具和電動(dòng)車輛等應(yīng)用領(lǐng)域。但是,相關(guān)產(chǎn)業(yè)在高速發(fā)展的同時(shí),鋰離子電池的安全問(wèn)題仍然困擾著人們。除了手機(jī)電池爆炸事件,近年來(lái),筆記本電腦更是因?yàn)殡姵仄鸹鸲啻伪淮笠?guī)模召回。

  鋰離子電池為何爆炸起火

  目前,手機(jī)、筆記本電腦等設(shè)備所用鋰離子電池的主要構(gòu)成部分包括:以鈷酸鋰為活性物質(zhì)的正極,石墨為活性物質(zhì)的負(fù)極,有機(jī)電解液,聚丙烯或聚乙烯隔膜等。

  鋰離子電池出現(xiàn)安全事故,主要是由電極和電解液間的化學(xué)反應(yīng)引起。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。處于充電態(tài)的電池正極材料為強(qiáng)氧化性化合物,同時(shí)處于充電態(tài)的負(fù)極材料為強(qiáng)還原性化合物,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。

  此外,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,如發(fā)生某些意外,比如管理系統(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,而金屬鋰的表面電沉積極易形成“枝晶”,會(huì)刺穿隔膜,使正負(fù)極短路,導(dǎo)致電池迅速發(fā)熱,引起安全事故。

  另外,電池過(guò)充,導(dǎo)致高電壓時(shí)正極加速氧化電解液,產(chǎn)生的熱和氣體也可能令電池?zé)崾Э亍?br/>
  起火則主要由于電池殼體內(nèi)部壓力導(dǎo)致外殼破裂后,高溫下的電極和電解液與空氣接觸,處于充電態(tài)的負(fù)極的活潑性接近金屬鋰,與氧接觸會(huì)立即燃燒并引燃電解液、隔膜等。

  規(guī)范的廠家有嚴(yán)格周密的安全設(shè)計(jì)

  雖然電池安全事故令人心驚,但我們還是應(yīng)該看到,2006年全球生產(chǎn)了超過(guò)20億只鋰離子電池芯,發(fā)生事故的僅僅是極少數(shù),規(guī)范的電池生產(chǎn)廠家有嚴(yán)格、周密的安全設(shè)計(jì)。

  首先,為了達(dá)到電池安全考核指標(biāo),需采用合格的正負(fù)極材料,并在設(shè)計(jì)上保證負(fù)極的過(guò)量。正常充放電情況下,鋰離子在層狀結(jié)構(gòu)的負(fù)極和正極嵌入和脫出,一般不會(huì)引起晶體結(jié)構(gòu)的破壞,也不會(huì)形成枝晶刺穿隔膜造成內(nèi)部短路。

  在生產(chǎn)過(guò)程中,廠家還要嚴(yán)格控制極片的一致性,防止正常充電時(shí)負(fù)極表面形成金屬鋰的沉積;同時(shí)采用具有熱關(guān)閉特性的電池隔膜,在電池升溫達(dá)到120℃的情況下,復(fù)合膜兩側(cè)的PE膜孔會(huì)閉合,電池內(nèi)阻增大,升溫會(huì)減緩;還要向電解液中加入防過(guò)充添加劑,在電池電壓高于設(shè)定值的條件下,發(fā)生添加劑聚合,大幅增加電池內(nèi)阻,降低發(fā)熱量;電池還要有安全閥,內(nèi)部壓力大于一定值時(shí),安全閥可以開(kāi)啟泄壓等;另外,制造環(huán)境的控制也很重要,因?yàn)橹圃爝^(guò)程中引入的雜質(zhì)、掉粉等也會(huì)導(dǎo)致電池出現(xiàn)安全問(wèn)題。最后,每批電池芯還需要抽樣作各項(xiàng)濫用試驗(yàn)的測(cè)試,如過(guò)充、熱箱、針刺、擠壓、溫度沖擊、外部短路、跌落等,充分考察其安全性能。

  作為普通消費(fèi)者,保險(xiǎn)的做法是選擇知名企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品,嚴(yán)格按照說(shuō)明書(shū)上的要求使用,在電器或電池出現(xiàn)人為損壞或異常時(shí),應(yīng)向廠家售后服務(wù)人員求助而不是自己拆卸修理或湊合使用。可以說(shuō),掌握相關(guān)的知識(shí)并合理使用是消費(fèi)者最有效的保障安全的方法。

  技術(shù)進(jìn)步會(huì)讓未來(lái)的鋰離子電池更安全

  要提高鋰離子電池的安全性,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。

  一部手機(jī)用的鋰離子電池重約20克,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)(實(shí)際情況比千萬(wàn)分之一還要小)。

  電動(dòng)自行車所用鋰離子電池組的重量為3~4公斤,比手機(jī)大了100多倍。另外,電動(dòng)

  摩托車所用鋰離子電池重15~20公斤,混合電動(dòng)汽車所用電池組重量為30~100公斤,純電動(dòng)小轎車則要用到300~400公斤重的蓄電池。如采用同樣的材料和設(shè)計(jì),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。

  我國(guó)剛開(kāi)始開(kāi)展鋰離子電池電動(dòng)車研發(fā)時(shí),曾出現(xiàn)若干爆炸和燃燒的事故,采用鈷酸鋰作為電池的正極材料是一個(gè)主要的原因。后來(lái),隨著改性錳酸鋰材料的成熟和使用,電池正極的氧化性降低了,同時(shí)錳酸鋰電池充滿電后正極幾乎沒(méi)有多余的鋰,過(guò)充電時(shí)在負(fù)極形成鋰枝晶的可能性也大幅度降低,我國(guó)單體10~30安時(shí)的車用高功率鋰離子電池安全問(wèn)題在“十五”期間得到了較好解決。近年來(lái),新發(fā)展出的磷酸鐵鋰正極材料的氧化性更明顯低于錳酸鋰,從正極材料的角度來(lái)看,磷酸鹽正極材料的應(yīng)用將更有利于提高鋰離子電池安全性。

  但要注意安全性不僅僅是由正極材料決定的,負(fù)極材料、電解液隔膜材料和電池設(shè)計(jì)、制造、使用等方面的諸多問(wèn)題仍需慎重考慮。

  石墨仍然是當(dāng)今鋰離子電池主要的負(fù)極材料。石墨材料電池充滿電時(shí)負(fù)極形成的LiC6的活潑性與金屬鋰很接近,加之石墨層間距小而晶粒體積大,其鋰離子嵌入和脫出時(shí)所引起的晶粒體積變化也較大,大電流充放電時(shí),表面固體電解質(zhì)膜易破裂導(dǎo)致新的反應(yīng)產(chǎn)生氣體,做大容量電池還是不夠安全,采用綜合性能優(yōu)良的炭基和氧化物基負(fù)極材料也是提高鋰離子電池安全性的關(guān)鍵之一。此外,選用機(jī)械和熱關(guān)閉性能更優(yōu)的電池隔膜、發(fā)展阻燃型電解液、改進(jìn)設(shè)計(jì)提高電池的散熱能力等也是提高鋰離子電池安全性的途徑。

  鋰離子電池的使用也有嚴(yán)格的要求,消費(fèi)者不要指望像買一次性使用的堿錳電池那樣,在商店貨架上就找到鋰離子電池的“裸”芯。規(guī)范的電池芯生產(chǎn)商只會(huì)向經(jīng)過(guò)授權(quán)的公司銷售自己的電池芯,并由這些公司將電池芯封裝成電池包出售。這些電池包內(nèi)包含鋰離子電池保護(hù)電路,該電路具有防止電池過(guò)充、過(guò)放、過(guò)熱和過(guò)流的功能,電池包結(jié)合專用充電單元才能與特定的用電器配合,為消費(fèi)者使用。

  對(duì)電池芯的安全測(cè)試應(yīng)提出更科學(xué)的要求

  值得一提的是,我們還應(yīng)該對(duì)電池芯的安全測(cè)試提出更科學(xué)的要求來(lái)為它的安全性能把關(guān)。目前世界上有多個(gè)關(guān)于鋰電池的標(biāo)準(zhǔn)涉及安全檢測(cè)的內(nèi)容,如UL1642(美國(guó)UL實(shí)驗(yàn)室)、ICE(國(guó)際電工委員會(huì))、JIS(日本國(guó)家標(biāo)準(zhǔn))、IEEE(美國(guó)電氣及電子工程師學(xué)會(huì))的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)項(xiàng)目相似,但測(cè)試條件又不同,各個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)不一致,行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之間也有差異,多數(shù)是一些基本要求,缺少與實(shí)際應(yīng)用相關(guān)聯(lián)的具體指引,具體執(zhí)行起來(lái)比較困難。

  去年,電腦電池大規(guī)模召回后,國(guó)際上主要的電腦和電池生產(chǎn)商開(kāi)始制定更科學(xué)、更完善的標(biāo)準(zhǔn),車用大容量電池的安全標(biāo)準(zhǔn)也在進(jìn)一步完善中。

  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。

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