一、鋰離子電池特性 鋰是化學(xué)周期表上直徑最小也最活潑的金屬。體積小所以容量密度高,廣受消費(fèi)者與工程師歡迎。但是,化學(xué)特性太活潑,則帶來(lái)了極高的危險(xiǎn)性。鋰金屬暴露在空氣中時(shí),會(huì)與氧氣產(chǎn)生激烈的氧化反應(yīng)而爆炸。為了提升安全性及電壓,科學(xué)家們發(fā)明了用石墨及鈷酸鋰等材料來(lái)儲(chǔ)存鋰原子。這些材料的分子結(jié)構(gòu),形成了奈米等級(jí)的細(xì)小儲(chǔ)存格子,可用來(lái)儲(chǔ)存鋰原子。這樣一來(lái),即使是電池外殼破裂,氧氣進(jìn)入,也會(huì)因氧分子太大,進(jìn)不了這些細(xì)小的儲(chǔ)存格,使得鋰原子不會(huì)與氧氣接觸而避免爆炸。鋰離子電池的這種原理,使得人們?cè)讷@得它高容量密度的同時(shí),也達(dá)到安全的目的。 鋰離子電池充電時(shí),正極的鋰原子會(huì)喪失電子,氧化為鋰離子。鋰離子經(jīng)由電解液游到負(fù)極去,進(jìn)入負(fù)極的儲(chǔ)存格,并獲得一個(gè)電子,還原為鋰原子。放電時(shí),整個(gè)程序倒過(guò)來(lái)。為了防止電池的正負(fù)極直接碰觸而短路,電池內(nèi)會(huì)再加上一種擁有眾多細(xì)孔的隔膜紙,來(lái)防止短路。好的隔膜紙還可以在電池溫度過(guò)高時(shí),自動(dòng)關(guān)閉細(xì)孔,讓鋰離子無(wú)法穿越,以自廢武功,防止危險(xiǎn)發(fā)生。 保護(hù)措施: 鋰電池電芯過(guò)充到電壓高于4.2V后,會(huì)開(kāi)始產(chǎn)生副作用。過(guò)充電壓愈高,危險(xiǎn)性也跟著愈高。鋰電芯電壓高于4.2V后,正極材料內(nèi)剩下的鋰原子數(shù)量不到一半,此時(shí)儲(chǔ)存格常會(huì)垮掉,讓電池容量產(chǎn)生永久性的下降。如果繼續(xù)充電,由于負(fù)極的儲(chǔ)存格已經(jīng)裝滿了鋰原子,后續(xù)的鋰金屬會(huì)堆積于負(fù)極材料表面。這些鋰原子會(huì)由負(fù)極表面往鋰離子來(lái)的方向長(zhǎng)出樹(shù)枝狀結(jié)晶。這些鋰金屬結(jié)晶會(huì)穿過(guò)隔膜紙,使正負(fù)極短路。有時(shí)在短路發(fā)生前電池就先爆炸,這是因?yàn)樵谶^(guò)充過(guò)程,電解液等材料會(huì)裂解產(chǎn)生氣體,使得電池外殼或壓力閥鼓漲破裂,讓氧氣進(jìn)去與堆積在負(fù)極表面的鋰原子反應(yīng),進(jìn)而爆炸。因此,鋰電池充電時(shí),一定要設(shè)定電壓上限,才可以同時(shí)兼顧到電池的壽命、容量、和安全性。最理想的充電電壓上限為4.2V。 鋰電芯放電時(shí)也要有電壓下限。當(dāng)電芯電壓低于2.4V時(shí),部分材料會(huì)開(kāi)始被破壞。又由于電池會(huì)自放電,放愈久電壓會(huì)愈低,因此,放電時(shí)最好不要放到2.4V才停止。鋰電池從3.0V放電到2.4V這段期間,所釋放的能量只占電池容量的3%左右。因此,3.0V是一個(gè)理想的放電截止電壓。 充放電時(shí),除了電壓的限制,電流的限制也有其必要。電流過(guò)大時(shí),鋰離子來(lái)不及進(jìn)入儲(chǔ)存格,會(huì)聚集于材料表面。這些鋰離子獲得電子后,會(huì)在材料表面產(chǎn)生鋰原子結(jié)晶,這與過(guò)充一樣,會(huì)造成危險(xiǎn)性。萬(wàn)一電池外殼破裂,就會(huì)爆炸。 因此,對(duì)鋰離子電池的保護(hù),至少要包含:充電電壓上限、放電電壓下限、及電流上限三項(xiàng)。一般鋰電池組內(nèi),除了鋰電池芯外,都會(huì)有一片保護(hù)板,這片保護(hù)板主要就是提供這三項(xiàng)保護(hù)。但是,保護(hù)板的這三項(xiàng)保護(hù)顯然是不夠的,全球鋰電池爆炸事件還是頻傳。要確保電池系統(tǒng)的安全性,必須對(duì)電池爆炸的原因,進(jìn)行更仔細(xì)的分析。
二、電池爆炸原因:
1、 內(nèi)部極化較大;
2、極片吸水,與電解液發(fā)生反應(yīng)氣鼓;
3、電解液本身的質(zhì)量,性能問(wèn)題;
4、注液時(shí)候注液量達(dá)不到工藝要求;
5、裝配制程中激光焊焊接密封性能差,漏氣.測(cè)漏氣漏測(cè);
6、粉塵,極片粉塵首先易導(dǎo)致微短路,具體原因未知;
7、正負(fù)極片較工藝范圍偏厚,入殼難;
8、注液封口問(wèn)題,鋼珠密封性能不好導(dǎo)致氣鼓;
9、殼體來(lái)料存在殼壁偏厚,殼體變形影響厚度;
三、爆炸類型分析 電池芯爆炸的類形可歸納為外部短路、內(nèi)部短路、及過(guò)充三種。此處的外部系指電芯的外部,包含了電池組內(nèi)部絕緣設(shè)計(jì)不良等所引起的短路。 當(dāng)電芯外部發(fā)生短路,電子組件又未能切斷回路時(shí),電芯內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生高熱,造成部分電解液汽化,將電池外殼撐大。當(dāng)電池內(nèi)部溫度高到135攝氏度時(shí),質(zhì)量好的隔膜紙,會(huì)將細(xì)孔關(guān)閉,電化學(xué)反應(yīng)終止或近乎終止,電流驟降,溫度也慢慢下降,進(jìn)而避免了爆炸發(fā)生。但是,細(xì)孔關(guān)閉率太差,或是細(xì)孔根本不會(huì)關(guān)閉的隔膜紙,會(huì)讓電池溫度繼續(xù)升高,更多的電解液汽化,最后將電池外殼撐破,甚至將電池溫度提高到使材料燃燒并爆炸。 內(nèi)部短路主要是因?yàn)殂~箔與鋁箔的毛刺穿破隔膜,或是鋰原子的樹(shù)枝狀結(jié)晶穿破膈膜所造成。這些細(xì)小的針狀金屬,會(huì)造成微短路。由于,針很細(xì)有一定的電阻值,因此,電流不見(jiàn)得會(huì)很大。銅鋁箔毛刺系在生產(chǎn)過(guò)程造成,可觀察到的現(xiàn)象是電池漏電太快,多數(shù)可被電芯廠或是組裝廠篩檢出來(lái)。而且,由于毛刺細(xì)小,有時(shí)會(huì)被燒斷,使得電池又恢復(fù)正常。因此,因毛刺微短路引發(fā)爆炸的機(jī)率不高。 這樣的說(shuō)法,可以從各電芯廠內(nèi)部都常有充電后不久,電壓就偏低的不良電池,但是卻鮮少發(fā)生爆炸事件,得到統(tǒng)計(jì)上的支持。因此,內(nèi)部短路引發(fā)的爆炸,主要還是因?yàn)檫^(guò)充造成的。因?yàn)?,過(guò)充后極片上到處都是針狀鋰金屬結(jié)晶,刺穿點(diǎn)到處都是,到處都在發(fā)生微短路。因此,電池溫度會(huì)逐漸升高,最后高溫將電解液氣體。這種情形,不論是溫度過(guò)高使材料燃燒爆炸,還是外殼先被撐破,使空氣進(jìn)去與鋰金屬發(fā)生激烈氧化,都是爆炸收?qǐng)觥?但是過(guò)充引發(fā)內(nèi)部短路造成的這種爆炸,并不一定發(fā)生在充電的當(dāng)時(shí)。有可能電池溫度還未高到讓材料燃燒、產(chǎn)生的氣體也未足以撐破電池外殼時(shí),消費(fèi)者就終止充電,帶手機(jī)出門(mén)。這時(shí)眾多的微短路所產(chǎn)生的熱,慢慢的將電池溫度提高,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后,才發(fā)生爆炸。消費(fèi)者共同的描述都是拿起手機(jī)時(shí)發(fā)現(xiàn)手機(jī)很燙,扔掉后就爆炸。 綜合以上爆炸的類型,我們可以將防爆重點(diǎn)放在過(guò)充的防止、外部短路的防止、及提升電芯安全性三方面。其中過(guò)充防止及外部短路防止屬于電子防護(hù),與電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)及電池組裝有較大關(guān)系。電芯安全性提升之重點(diǎn)為化學(xué)與機(jī)械防護(hù),與電池芯制造廠有較大關(guān)系。
四、設(shè)計(jì)規(guī)范 由于全球手機(jī)有數(shù)億只,要達(dá)到安全,安全防護(hù)的失敗率必須低于一億分之一。由于,電路板的故障率一般都遠(yuǎn)高于一億分之一。因此,電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),必須有兩道以上的安全防線。常見(jiàn)的錯(cuò)誤設(shè)計(jì)是用充電器(adaptor)直接去充電池組。這樣將過(guò)充的防護(hù)重任,完全交給電池組上的保護(hù)板。雖然保護(hù)板的故障率不高,但是,即使故障率低到百萬(wàn)分之一,機(jī)率上全球還是天天都會(huì)有爆炸事故發(fā)生。 電池系統(tǒng)如能對(duì)過(guò)充、過(guò)放、過(guò)電流都分別提供兩道安全防護(hù),每道防護(hù)的失敗率如果是萬(wàn)分之一,兩道防護(hù)就可以將失敗率降到一億分之一。常見(jiàn)的電池充電系統(tǒng)方塊圖如下,包含充電器及電池組兩大部分。充電器又包含適配器(Adaptor)及充電控制器兩部分。適配器將交流電轉(zhuǎn)為直流電,充電控制器則限制直流電的最大電流及最高電壓。電池組包含保護(hù)板及電池芯兩大部分,以及一個(gè)PTC來(lái)限定最大電流。
五、文字方塊: 適配器交流變直流文字方塊: 充電控制器限流限壓文字方塊: 充電器文字方塊: 保護(hù)板過(guò)充、過(guò)放過(guò)流等防護(hù)文字方塊: 電池組文字方塊: 限流片文字方塊: 電池芯以手機(jī)電池系統(tǒng)為例,過(guò)充防護(hù)系利用充電器輸出電壓設(shè)定在4.2V左右,來(lái)達(dá)到第一層防護(hù),這樣就算電池組上的保護(hù)板失效,電池也不會(huì)被過(guò)充而發(fā)生危險(xiǎn)。第二道防護(hù)是保護(hù)板上的過(guò)充防護(hù)功能,一般設(shè)定為4.3V。這樣,保護(hù)板平常不必負(fù)責(zé)切斷充電電流,只有當(dāng)充電器電壓異常偏高時(shí),才需要?jiǎng)幼鳌_^(guò)電流防護(hù)則是由保護(hù)板及限流片來(lái)負(fù)責(zé),這也是兩道防護(hù),防止過(guò)電流及外部短路。由于過(guò)放電只會(huì)發(fā)生在電子產(chǎn)品被使用的過(guò)程。因此,一般設(shè)計(jì)是由該電子產(chǎn)品的線路板來(lái)提供第一到防護(hù),電池組上的保護(hù)板則提供第二道防護(hù)。當(dāng)電子產(chǎn)品偵測(cè)到供電電壓低于3.0V時(shí),應(yīng)該自動(dòng)關(guān)機(jī)。如果該產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)未設(shè)計(jì)這項(xiàng)功能,則保護(hù)板會(huì)在電壓低到2.4V時(shí),關(guān)閉放電回路。
總之,電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),必須對(duì)過(guò)充、過(guò)放、與過(guò)電流分別提供兩道電子防護(hù)。其中保護(hù)板是第二道防護(hù)。把保護(hù)板拿掉后充電,如果電池會(huì)爆炸就代表設(shè)計(jì)不良。
上述方法雖然提供了兩道防護(hù),但是由于消費(fèi)者在充電器壞掉后,常會(huì)買(mǎi)非原廠充電器來(lái)充電,而充電器業(yè)者,基于成本考慮,常將充電控制器拿掉,來(lái)降低成本。結(jié)果,劣幣驅(qū)逐良幣,市面上出現(xiàn)了許多劣質(zhì)充電器。這使得過(guò)充防護(hù)失去了第一道也是最重要的一道防線。而過(guò)充又是造成電池爆炸的最重要因素,因此,劣質(zhì)充電器可以稱得上是電池爆炸事件的元兇。
當(dāng)然,并非所有的電池系統(tǒng)都采用如上圖的方案。在有些情況下,電池組內(nèi)也會(huì)有充電控制器的設(shè)計(jì)。例如:許多筆記型計(jì)算機(jī)的外加電池棒,就有充電控制器。這是因?yàn)楣P記型計(jì)算機(jī)一般都將充電控制器做在計(jì)算機(jī)內(nèi),只給消費(fèi)者一個(gè)適配器。因此,筆記型計(jì)算機(jī)的外加電池組,就必須有一個(gè)充電控制器,才能確保外加電池組在使用適配器充電時(shí)的安全。另外,使用汽車點(diǎn)煙器充電的產(chǎn)品,有時(shí)也會(huì)將充電控制器做在電池組內(nèi)。 最后的防線 如果電子的防護(hù)措施都失敗了,最后的一道防線,就要由電芯來(lái)提供了。電芯的安全層級(jí),可依據(jù)電芯能否通過(guò)外部短路和過(guò)充來(lái)大略區(qū)分等級(jí)。由于,電池爆炸前,如果內(nèi)部有鋰原子堆積在材料表面,爆炸威力會(huì)更大。而且,過(guò)充的防護(hù)常因消費(fèi)者使用劣質(zhì)充電器而只剩一道防線,因此,電芯抗過(guò)充能力比抗外部短路的能力更重要。