锂离子电池的工作原理重要有什么你了解吗？

我们无需杞人忧天，但也不能忽视锂离子电池存在的安全隐患，你要明白锂离子电池为何会爆炸，这就要从了解锂离子电池内部结构开始说起了。锂离子电池内部同样有正极、负极，以及之间的隔膜和电解液，早期锂离子电池的负极材料是单质锂，但金属锂十分活泼，遇水、氮、酸或氧化剂有起火和爆炸危险，尤其到了可充电的二次锂离子电池时期，反复的充放电使得粉状锂单质越积越多，充电过程中可能形成的锂晶体结成枝状，引起电池内部短路，最终导致起火或爆炸。

放弃锂元素不可能，因为它有着最小的密度和最大的电负性，具有极高的比能量，是目前制作电池的上佳之选。要解决锂的不稳定性，今天我们使用的锂离子电池中采用了最有效的解决办法放弃使用锂单质，核心部分采用更稳定的锂离子以及锂嵌合物。如今的锂离子电池中，正极可以是不同类型的锂化合物，负极重要是层状结构的石墨类物质，用于嵌入带正电的锂离子。在充电时，正极部分的锂离子离开含锂化合物，最终嵌入负极的层状结构里；在放电时，锂离子离开负极，通并结合在正极的化合物中。正负极间的隔膜即可防止短路，而且在特殊情况下可以关闭离子通道，加上没有锂单质的参与，充放电过程都变得安全多了。在以下的说明中，我们所指的锂离子电池均为锂离子电池（加粗）。

在智能手机等小型数码产品中，厂家还会使用更先进的锂聚合物电池（图02）。这种锂离子电池使用高分子材料，目前重要应用在电解质和正极上，由于电解质为固体或胶状，无需使用隔膜，防止了因其失效导致的寿命或安全问题。锂聚合物电池即使出现故障，通常也仅是电池鼓胀、失效，严重时会起火燃烧并放出大量烟雾，但一般不会爆炸。锂聚合物电池还有良好的可塑性，可根据要求制作成各种形状，理论上的最小厚度仅为0.5mm。

只在材料上做出改进不能完全防止危险，譬如电池充电电压高于4.2V后仍坚持继续加压，电池就会被过度充电，此时负极的层状结构无法存储更多锂离子，后续锂离子会堆积在负极材料表面，获得电子后，向正极方形成树枝状结晶，它们会刺透隔膜，使正负极短路，同时电解液因高温而被电解，出现气体，电芯内部压力升高，最终导致起火燃烧甚至爆炸。同样假如过度放电，也会对负极造成不可逆的损伤，影响电池充电量与寿命。除了电压之外，充电电流过大也会令锂离子来不及进入负极层状结构，与过度充电类似，锂离子会大量堆积在负极材料表面，有可能导致短路，电池外壳破裂甚至会爆炸。

总结下来，导致锂离子电池爆炸的直接原因是短路，短路一般又是由于过度充电或电流过大引起的，而且为了保证电池寿命，设计上也必须严防过度放电。于是电池厂家在设计产品时都加入了一些防护措施，包括防止过充过放的保护线路板（图5），它会检测电池电压，当到达临界值时自动关闭充电或放电过程；电池中还有热敏保险、可恢复保险丝等部件，它们是保护线路板失效后的第二道屏障，会根据温度情况自动断开，阻止化学反应的进行；此外，还有用来阻燃的电芯保护壳，电池内部压力上升到一定数值时自动开启的安全阀（图6）；一些公司的电池还会在电解液中加入高分子材料，就算电芯被外力破坏，它也会阻止化学反应的进行，阻隔锂离子流动，防止电池过热爆炸。这些屏障理论上可以保证电池的安全性，就算出现故障也不会伤及使用者。

电池中的保护线路板上装有类似图中的控制芯片，会监控电池的状态，遇危险时自动断电。笔记本电池组中的控制芯片更为重要，它必须监控电池组中每个电芯的状态，即使只有一个出现问题也会危及整个电池组的安全

制造锂离子电池时，合格厂家都有严格的工序控制。以锂离子电池为例，制浆是用专门溶剂与粘合剂与粉末状的正负极活性物混合，经高速搅拌均匀后制作成浆状的正负极材料；涂膜步骤将浆状材料均匀地涂在金属箔表面，烘干后分别制成正负极极片；装配过程中将按正极片、隔膜、负极片、隔膜的顺序放好，经过卷绕后制作成电芯，最后经过注入电解液等工序，完成电池的装配。听起来简单，但要保证产品的质量，以上所有过程中有会涉及成百上千个要注意的细节，厂家必须使用优质的原料，拥有可靠的设备和工作环境，并依靠工人细致的操作，最终才能让电池具有出色的品质。而任何一步出现问题，产出的电池都将成为废品。