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简述锂电池的保护措施与爆炸原因

钜大LARGE  |  点击量:5755次  |  2018年05月01日  

  锂系电池是近20年来发展最快的电池体系,目前被广泛用于电子产品。而近来发生的手机、笔记本电脑爆炸本质上就是电池爆炸。手机和笔记本电池到底是什么样的,如何工作,为什么会发生爆炸,如何避免爆炸。

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  锂电池芯过充到电压高于4.2V后,会开始产生副作用。过充电压愈高,危险性也跟着愈高。锂电芯电压高于4.2V后,正极材料内剩下的锂原子数量不到一半,此时储存格常会垮掉,让电池容量产生永久性的下降。如果继续充电,由于负极的储存格已经装满了锂原子,后续的锂金属会堆积于负极材料表面。这些锂原子会由负极表面往锂离子来的方向长出树枝状结晶。这些锂金属结晶会穿过隔膜纸,使正负极短路。有时在短路发生前电池就先爆炸,这是因为在过充过程,电解液等材料会裂解产生气体,使得电池外壳或压力阀鼓涨破裂,让氧气进去与堆积在负极表面的锂原子反应,进而爆炸。

  因此,锂电池充电时,一定要设定电压上限,才可以同时兼顾到电池的寿命、容量、和安全性。最理想的充电电压上限为4.2V。锂电芯放电时也要有电压下限。当电芯电压低于2.4V时,部分材料会开始被破坏。又由于电池会自放电,放愈久电压会愈低,因此,放电时最好不要放到2.4V才停止。锂电池从3.0V放电到2.4V这段期间,所释放的能量只占电池容量的3%左右。因此,3.0V是一个理想的放电截止电压。充放电时,除了电压的限制,电流的限制也有其必要。电流过大时,锂离子来不及进入储存格,会聚集于材料表面。

  这些锂离子获得电子后,会在材料表面产生锂原子结晶,这与过充一样,会造成危险性。万一电池外壳破裂,就会爆炸。因此,对锂离子电池的保护,至少要包含:充电电压上限、放电电压下限、及电流上限三项。一般锂电池组内,除了锂电池芯外,都会有一片保护板,这片保护板主要就是提供这三项保护。但是,保护板的这三项保护显然是不够的,全球锂电池爆炸事件还是频传。要确保电池系统的安全性,必须对电池爆炸的原因,进行更仔细的分析。

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  爆炸原因:

  1、内部极化较大;

  2、极片吸水,与电解液发生反应气鼓;

  3、电解液本身的质量、性能问题;

  4、注液时候注液量达不到工艺要求;

  5、装配制程中激光焊接密封性能差,测漏气时漏气;

  6、粉尘、极片粉尘首先易导致微短路;

  7、正负极片较工艺范围偏厚,入壳难;

  8、注液封口问题,钢珠密封性能不好导致气鼓;

  9、壳体来料存在壳壁偏厚,壳体变形影响厚度;

  10、外面环境温度过高也是导致爆炸的主要原因。

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  爆炸类型

  爆炸类型分析电池芯爆炸的类形可归纳为外部短路、内部短路、及过充三种。此处的外部系指电芯的外部,包含了电池组内部绝缘设计不良等所引起的短路。当电芯外部发生短路,电子组件又未能切断回路时,电芯内部会产生高热,造成部分电解液汽化,将电池外壳撑大。当电池内部温度高到135摄氏度时,质量好的隔膜纸,会将细孔关闭,电化学反应终止或近乎终止,电流骤降,温度也慢慢下降,进而避免了爆炸发生。但是,细孔关闭率太差,或是细孔根本不会关闭的隔膜纸,会让电池温度继续升高,更多的电解液汽化,最后将电池外壳撑破,甚至将电池温度提高到使料燃烧并爆炸。内部短路主要是因为铜箔与铝箔的毛刺穿破隔膜,或是锂原子的树枝状结晶穿破膈膜所造成。

  这些细小的针状金属,会造成微短路。由于针很细有一定的电阻值,因此,电流不见得会很大。铜铝箔毛刺系在生产过程造成,可观察到的现象是电池漏电太快,多数可被电芯厂或是组装厂筛检出来。而且由于毛刺细小,有时会被烧断,使得电池又恢复正常。因此,因毛刺微短路引发爆炸的机率不高。这样的说法,可以从各电芯厂内部都常有充电后不久,电压就偏低的不良电池,但是却鲜少发生爆炸事件,得到统计上的支持。因此,内部短路引发的爆炸,主要还是因为过充造成的。因为,过充后极片上到处都是针状锂金属结晶,刺穿点到处都是,到处都在发生微短路。因此,电池温度会逐渐升高,最后高温将电解液气体。这种情形,不论是温度过高使材料燃烧爆炸,还是外壳先被撑破,使空气进去与锂金属发生激烈氧化,都是爆炸收场。

  但是过充引发内部短路造成的这种爆炸,并不一定发生在充电的当时。有可能电池温度还未高到让材料燃烧、产生的气体也未足以撑破电池外壳时,消费者就终止充电,带手机出门。这时众多的微短路所产生的热,慢慢的将电池温度提高,经过一段时间后,才发生爆炸。消费者共同的描述都是拿起手机时发现手机很烫,扔掉后就爆炸。综合以上爆炸的类型,我们可以将防爆重点放在过充的防止、外部短路的防止、及提升电芯安全性三方面。其中过充防止及外部短路防止属于电子防护,与电池系统设计及电池组装有较大关系。电芯安全性提升之重点为化学与机械防护,与电池芯制造厂有较大关系。

  安全隐患

  锂离子电池的安全性问题,不仅与池材料本身性质有关,而且与电池制备技术和使用有关。手机电池频频发生爆炸事件,一方面是由于保护电路失效,但更重要的是在于材料方面并没有根本的解决问题。

  钴酸锂正极活性材料在小电芯方面是很成熟的体系,但是充满电后,仍旧有大量的锂离子留在正极,当过充时,残留在正极的锂离子将会涌向负极,在负极上形成枝晶是采用钴酸锂材料的电池过充时必然的结果,甚至在正常充放电过程中,也有可能会有多余的锂离子游离到负极形成枝晶,钴酸锂材料的理论比能量是超过每克270毫安时的,但为保证其循环性能,实际使用容量只有理论容量的一半。在使用过程中,由于某种原因(如管理系统损坏)而导致电池充电电压过高,正极中剩余的一部分锂就会脱出,经电解液到负极表面以金属锂的形式沉积形成枝晶。枝晶刺穿隔膜,形成内部短路。

  电解液的主要成分为碳酸酯,闪点很低,沸点也较低,在一定条件下会燃烧甚至爆炸。如电池出现过热,会导致电解液中的碳酸酯被氧化和还原,产生大量气体和更多的热,如缺少安全阀或者气体来不及通过安全阀释放,电池内压便会急剧上升而引起爆炸。

  聚合物电解质锂离子电池并没有从根本上解决安全性问题,同样使用钴酸锂和有机电解液,而且电解液为胶状,不易泄漏,将会发生更猛烈的燃烧,燃烧是聚合物电池安全性最大的问题。

  在使用方面也存在一些问题,电池发生外部短路或内部短路将产生几百安培的过大电流。外部短路时电池瞬间大电流放电,在内阻上消耗大量能量,产生巨大热量。内部短路形成大电流,温度上升导致隔膜熔化,短路面积扩大,进而形成恶性循环。

  锂离子电池为达到单只电芯3~4.2V的高工作电压,必须采取分解电压大于2V的有机电解液,而采用有机电解液在大电流、高温的条件下会被电解,电解产生气体,导致内部压力升高,严重会冲破壳体。

  过充可能会析出金属锂,在壳体破裂的情况下,与空气直接接触,导致燃烧,同时引燃电解液,发生强烈火焰,气体急速膨胀,发生爆炸。

  另外,对于手机锂离子电池,由于使用不当,如挤压、冲击和进水等导致电池膨胀、变形和开裂等,这些都会导致电池短路,在放电或充电过程放热引起爆炸。

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  锂电池的安全性:

  为了避免因使用不当造成电池过放电或者过充电,在单体锂离子电池内设有三重保护机构。一是采用开关元件,当电池内的温度上升时,它的阻值随之上升,当温度过高时,会自动停止供电;二是选择适当的隔板材料,当温度上升到一定数值时,隔板上的微米级微孔会自动溶解掉,从而使锂离子不能通过,电池内部反应停止;三是设置安全阀(就是电池顶部的放气孔),电池内部压力上升到一定数值时,安全阀自动打开,保证电池的使用安全性。

  有时,电池本身虽然有安全控制措施,但是因为某些原因造成控制失灵,缺少安全阀或者气体来不及通过安全阀释放,电池内压便会急剧上升而引起爆炸。一般情况下,锂离子电池储存的总能量和其安全性是成反比的,随着电池容量的增加,电池体积也在增加,其散热性能变差,出事故的可能性将大幅增加。对于手机用锂离子电池,基本要求是发生安全事故的概率要小于百万分之一,这也是社会公众所能接受的最低标准。而对于大容量锂离子电池,特别是汽车等用大容量锂离子电池,采用强制散热尤为重要。

  选择更安全的电极材料,选择锰酸锂材料,在分子结构方面保证了在满电状态,正极的锂离子已经完全嵌入到负极炭孔中,从根本上避免了枝晶的产生。同时锰酸锂稳固的结构,使其氧化性能远远低于钴酸锂,分解温度超过钴酸锂100℃,即使由于外力发生内部短路(针刺),外部短路,过充电时,也完全能够避免了由于析出金属锂引发燃烧、爆炸的危险。

  另外,采用锰酸锂材料还可以大幅度降低成本。

  提高现有安全控制技术的性能,首先要提高锂离子电池芯的安全性能,这对大容量电池尤为重要。选择热关闭性能好的隔膜,隔膜的作用是在隔离电池正负极的同时,允许锂离子的通过。当温度升高时,在隔膜熔化前进行关闭,从而使内阻上升至2000欧姆,让内部反应停止下来。当内部压力或温度达到预置的标准时,防爆阀将打开,开始进行卸压,以防止内部气体积累过多,发生形变,最终导致壳体爆裂。提高控制灵敏度、选择更灵敏的控制参数和采用多个参数的联合控制(这对于大容量电池尤为重要)。对于大容量锂离子电池组是串/并联的多个电芯组成,如笔记本电脑的电压为10V以上,容量较大,一般采用3~4个单电池串联就可以满足电压要求,然后再将2~3个串联的电池组并联,以保证较大的容量。

  大容量电池组本身必须设置较为完善的保护功能,还应考虑两种电路基板模块:保护电路基板(ProtecTIonBoardPCB)模块及SmartBatteryGaugeBoard模块。整套的电池保护设计包括:第1级保护IC(防止电池过充、过放、短路),第2级保护IC(防止第2次过压)、保险丝、LED指示、温度调节等部件。在多级保护机制下,即使是在电源充电器、笔记本电脑出现异常的情况下,笔记本电池也只能转为自动保护状态,如果情况不严重,往往在重新插拔后还能正常工作,不会发生爆炸。

  笔记本电脑和手机使用的锂离子电池所采用的底层技术是不安全的,需要考虑更安全的结构。

  总之,随着材料技术的进步和人们对锂离子电池设计、制造、检测和使用诸方面要求的认识不断加深,未来的锂离子电池会变得更安全。

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