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鋰電池發鼓脹氣和爆炸原因分析

作者:天神  來源:本站原創  發布時間:2013年06月11日

一、鋰離子電池特性鋰是化學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,廣受消費者與工程師歡迎。但是,化學特性太活潑,則帶來了極高的危險性。鋰金屬暴露在空氣中時,會與氧氣產生激烈的氧化反應而爆炸。為了提升安全性及電壓,科學家們發明了用石墨及鈷酸鋰等材料來儲存鋰原子。這些材料的分子結構,形成了納米等級的細小儲存格子,可用來儲存鋰原子。這樣一來,即使是電池外殼破裂,氧氣進入,也會因氧分子太大,進不了這些細小的儲存格,使得鋰原子不會與氧氣接觸而避免爆炸。鋰離子電池的這種原理,使得人們在獲得它高容量密度的同時,也達到安全的目的。鋰離子電池充電時,正極的鋰原子會喪失電子,氧化為鋰離子。鋰離子經由電解液游到負極去,進入負極的儲存格,并獲得一個電子,還原為鋰原子。放電時,整個程序倒過來。為了防止電池的正負極直接碰觸而短路,電池內會再加上一種擁有眾多細孔的隔膜紙,來防止短路。好的隔膜紙還可以在電池溫度過高時,自動關閉細孔,讓鋰離子無法穿越,以自廢武功,防止危險發生。保護措施:鋰電池電芯過充到電壓高于4.2V后,會開始產生副作用。過充電壓愈高,危險性也跟著愈高。鋰電芯電壓高于4.2V后,正極材料內剩下的鋰原子數量不到一半,此時儲存格常會垮掉,讓電池容量產生永久性的下降。如果繼續充電,由于負極的儲存格已經裝滿了鋰原子,后續的鋰金屬會堆積于負極材料表面。這些鋰原子會由負極表面往鋰離子來的方向長出樹枝狀結晶。這些鋰金屬結晶會穿過隔膜紙,使正負極短路。有時在短路發生前電池就先爆炸,這是因為在過充過程,電解液等材料會裂解產生氣體,使得電池外殼或壓力閥鼓漲破裂,讓氧氣進去與堆積在負極表面的鋰原子反應,進而爆炸。因此,鋰電池充電時,一定要設定電壓上限,才可以同時兼顧到電池的壽命、容量、和安全性。最理想的充電電壓上限為4.2V。鋰電芯放電時也要有電壓下限。當電芯電壓低于2.4V時,部分材料會開始被破壞。又由于電池會自放電,放愈久電壓會愈低,因此,放電時最好不要放到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是一個理想的放電截止電壓。充放電時,除了電壓的限制,電流的限制也有其必要。電流過大時,鋰離子來不及進入儲存格,會聚集于材料表面。這些鋰離子獲得電子后,會在材料表面產生鋰原子結晶,這與過充一樣,會造成危險性。萬一電池外殼破裂,就會爆炸。因此,對鋰離子電池的保護,至少要包含:充電電壓上限、放電電壓下限、及電流上限三項。一般鋰電池組內,除了鋰電池芯外,都會有一片保護板,這片保護板主要就是提供這三項保護。但是,保護板的這三項保護顯然是不夠的,全球鋰電池爆炸事件還是頻傳。要確保電池系統的安全性,必須對電池爆炸的原因,進行更仔細的分析。

二、電池爆炸原因:

1、內部極化較大;

2、極片吸水,與電解液發生反應氣鼓;

3、電解液本身的質量,性能問題;

4、注液時候注液量達不到工藝要求;

5、裝配制程中激光焊焊接密封性能差,漏氣.測漏氣漏測;

6、粉塵,極片粉塵首先易導致微短路,具體原因未知;

7、正負極片較工藝范圍偏厚,入殼難;

8、注液封口問題,鋼珠密封性能不好導致氣鼓;

9、殼體來料存在殼壁偏厚,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、內部短路、及過充三種。此處的外部系指電芯的外部,包含了電池組內部絕緣設計不良等所引起的短路。當電芯外部發生短路,電子組件又未能切斷回路時,電芯內部會產生高熱,造成部分電解液汽化,將電池外殼撐大。當電池內部溫度高到135攝氏度時,質量好的隔膜紙,會將細孔關閉,電化學反應終止或近乎終止,電流驟降,溫度也慢慢下降,進而避免了爆炸發生。但是,細孔關閉率太差,或是細孔根本不會關閉的隔膜紙,會讓電池溫度繼續升高,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。內部短路主要是因為銅箔與鋁箔的毛刺穿破隔膜,或是鋰原子的樹枝狀結晶穿破膈膜所造成。這些細小的針狀金屬,會造成微短路。由于,針很細有一定的電阻值,因此,電流不見得會很大。銅鋁箔毛刺系在生產過程造成,可觀察到的現象是電池漏電太快,多數可被電芯廠或是組裝廠篩檢出來。而且,由于毛刺細小,有時會被燒斷,使得電池又恢復正常。因此,因毛刺微短路引發爆炸的機率不高。這樣的說法,可以從各電芯廠內部都常有充電后不久,電壓就偏低的不良電池,但是卻鮮少發生爆炸事件,得到統計上的支持。因此,內部短路引發的爆炸,主要還是因為過充造成的。因為,過充后極片上到處都是針狀鋰金屬結晶,刺穿點到處都是,到處都在發生微短路。因此,電池溫度會逐漸升高,最后高溫將電解液氣體。這種情形,不論是溫度過高使材料燃燒爆炸,還是外殼先被撐破,使空氣進去與鋰金屬發生激烈氧化,都是爆炸收場。但是過充引發內部短路造成的這種爆炸,并不一定發生在充電的當時。有可能電池溫度還未高到讓材料燃燒、產生的氣體也未足以撐破電池外殼時,消費者就終止充電,帶手機出門。這時眾多的微短路所產生的熱,慢慢的將電池溫度提高,經過一段時間后,才發生爆炸。消費者共同的描述都是拿起手機時發現手機很燙,扔掉后就爆炸。綜合以上爆炸的類型,我們可以將防爆重點放在過充的防止、外部短路的防止、及提升電芯安全性三方面。其中過充防止及外部短路防止屬于電子防護,與電池系統設計及電池組裝有較大關系。電芯安全性提升之重點為化學與機械防護,與電池芯制造廠有較大關系。

四、設計規范由于全球手機有數億只,要達到安全,安全防護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高于一億分之一。因此,電池系統設計時,必須有兩道以上的安全防線。常見的錯誤設計是用充電器(adaptor)直接去充電池組。這樣將過充的防護重任,完全交給電池組上的保護板。雖然保護板的故障率不高,但是,即使故障率低到百萬分之一,機率上全球還是天天都會有爆炸事故發生。電池系統如能對過充、過放、過電流都分別提供兩道安全防護,每道防護的失敗率如果是萬分之一,兩道防護就可以將失敗率降到一億分之一。常見的電池充電系統方塊圖如下,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。電池組包含保護板及電池芯兩大部分,以及一個PTC來限定最大電流。

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:保護板過充、過放過流等防護文字方塊:電池組文字方塊:限流片文字方塊:電池芯以手機電池系統為例,過充防護系利用充電器輸出電壓設定在4.2V左右,來達到第一層防護,這樣就算電池組上的保護板失效,電池也不會被過充而發生危險。第二道防護是保護板上的過充防護功能,一般設定為4.3V。這樣,保護板平常不必負責切斷充電電流,只有當充電器電壓異常偏高時,才需要動作。過電流防護則是由保護板及限流片來負責,這也是兩道防護,防止過電流及外部短路。由于過放電只會發生在電子產品被使用的過程。因此,一般設計是由該電子產品的線路板來提供第一到防護,電池組上的保護板則提供第二道防護。當電子產品偵測到供電電壓低于3.0V時,應該自動關機。如果該產品設計時未設計這項功能,則保護板會在電壓低到2.4V時,關閉放電回路。

總之,電池系統設計時,必須對過充、過放、與過電流分別提供兩道電子防護。其中保護板是第二道防護。把保護板拿掉后充電,如果電池會爆炸就代表設計不良。

上述方法雖然提供了兩道防護,但是由于消費者在充電器壞掉后,常會買非原廠充電器來充電,而充電器業者,基于成本考慮,常將充電控制器拿掉,來降低成本。結果,劣幣驅逐良幣,市面上出現了許多劣質充電器。這使得過充防護失去了第一道也是最重要的一道防線。而過充又是造成電池爆炸的最重要因素,因此,劣質充電器可以稱得上是電池爆炸事件的元兇。

當然,并非所有的電池系統都采用如上圖的方案。在有些情況下,電池組內也會有充電控制器的設計。例如:許多筆記型計算機的外加電池棒,就有充電控制器。這是因為筆記型計算機一般都將充電控制器做在計算機內,只給消費者一個適配器。因此,筆記型計算機的外加電池組,就必須有一個充電控制器,才能確保外加電池組在使用適配器充電時的安全。另外,使用汽車點煙器充電的產品,有時也會將充電控制器做在電池組內。最后的防線如果電子的防護措施都失敗了,最后的一道防線,就要由電芯來提供了。電芯的安全層級,可依據電芯能否通過外部短路和過充來大略區分等級。由于,電池爆炸前,如果內部有鋰原子堆積在材料表面,爆炸威力會更大。而且,過充的防護常因消費者使用劣質充電器而只剩一道防線,因此,電芯抗過充能力比抗外部短路的能力更重要。

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