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，廣受消費者與工程師歡迎。但是，化學(xué)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(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儲存鋰原子。這些材料的分子結(jié)構(gòu)，形成了奈米等 級的細(xì)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(jìn)入，也會因氧分子太大，進(jìn)不了這些細(xì)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，使得人們在獲得高容量密度的同時，也達(dá)到安全的目的。 

安電防爆測試          

 

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(jīng)由電解液游到負(fù)極去，進(jìn)入負(fù)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(fù)極直接碰觸而短路，電池內(nèi)會再加上一種擁有眾多細(xì)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(guān)閉細(xì) 孔，讓鋰離子無法穿越，以自廢武功，防止危險發(fā)生。

 

 

 

    鋰電池芯過充到電壓高于4.2V后，會開始產(chǎn)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(nèi)剩下的鋰原子數(shù)量不到一 半，此時儲存格常會垮掉，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)極的儲存格已經(jīng)裝滿了鋰原子，后續(xù)的鋰金屬會堆積于負(fù)極材料表面。這些鋰原子 會由負(fù)極表面往鋰離子來的方向長出樹枝狀結(jié)晶。這些鋰金屬結(jié)晶會穿過隔膜紙，使正負(fù)極短路。有時在短路發(fā)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(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，一定要設(shè)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(dāng)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(jìn)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(chǎn)生鋰原子結(jié)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(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。一般鋰電池組內(nèi)，除了鋰電池芯外，都會有一片保護(hù)板，這片保護(hù)板主 要就是提供這三項保護(hù)。但是，保護(hù)板的這三項保護(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，必須對電池爆炸的原因，進(jìn)行更仔細(xì) 的分析。

 

 

 

  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，電芯內(nèi)部會產(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，質(zhì)量好的 隔膜紙，會將細(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)孔根本不會關(guān)閉的隔膜 紙，會讓電池溫度繼續(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)部短路主要是因為銅箔與鋁箔的毛刺穿破隔膜， 或是鋰原子的樹枝狀結(jié)晶穿破膈膜所造成。這些細(xì)小的針狀金屬，會造成微短路。由于，針很細(xì)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(chǎn)過 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。而且，由于毛刺細(xì)小，有時會被燒斷，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)計上的支持。因此，內(nèi)部短路引發(fā)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(jié)晶，刺穿點到處都是，到處都在發(fā)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(jìn)去與鋰金屬發(fā)生激烈氧化，都是爆炸收場。  

 

 

 

但是過充引發(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。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，消費者就終止充 電，帶手機(jī)出門。這時眾多的微短路所產(chǎn)生的熱，慢慢的將電池溫度提高，經(jīng)過一段時間后，才發(fā)生爆炸。消費者共同的描述都是拿起手機(jī)時發(fā)現(xiàn)手機(jī)很燙，扔掉后 就爆炸。  

 

鋰離子電池起火的原因分析

 

作為純電動汽車的能量來源，鋰離子電池起火的主要原因主要是電池過熱而造成的熱失控，這種過熱在電池充放電過程中最容易發(fā)生。由于鋰離子電池自身具有一定的內(nèi)阻，在輸出電能為純電動提供動力的同時會產(chǎn)生一定的熱量，使得自身溫度變高，當(dāng)自身溫度超出其正常工作溫度范圍間時將會損害整個電池的壽命和安全。純電動汽車中，動力電池系統(tǒng)是由多個動力電池單體電芯構(gòu)成，在工作過程中產(chǎn)生大量的熱聚集在狹小的電池箱體內(nèi)，如果熱量不能夠及時地快速散出，高溫會影響動力電池壽命甚至出現(xiàn)熱失控，從而引發(fā)起火爆炸等事故。從原理上說熱失控的原因主要有以下四個方面：

 

（1） 機(jī)械濫用

 

主要發(fā)生在汽車碰撞時，由于外力的作用，鋰電池單體、電池組發(fā)生變形，自身不同部位發(fā)生相對位移，導(dǎo)致電池隔膜被撕裂并發(fā)生內(nèi)部短路; 易燃電解質(zhì)泄漏最終引發(fā)起火。在機(jī)械濫用中，穿刺傷害最為嚴(yán)重，它可能會導(dǎo)體插入電池本體，造成正負(fù)極直接短路。相比之下，碰撞、擠壓等，只是概率性的發(fā)生內(nèi)短路，穿刺過程熱量的生成更加劇烈，引發(fā)熱失控的概率更高。

 

 

 

（2）電濫用

 

電濫用主要是對電池的使用不當(dāng)造成的，有外部短路、過度充電和過度放電幾種類型。其中，過渡放電導(dǎo)致的危害最小，但是由于過放造成的銅枝晶的增長會降低電池的安全性從而增加熱失控的幾率。外部短路是在兩個存在壓差的導(dǎo)體在電芯外部接通導(dǎo)致的結(jié)果，當(dāng)外部短路發(fā)生時，電池產(chǎn)生的熱量無法很好的散去時，電池溫度也會隨之上升，高溫觸發(fā)熱失控。

 

過度充電是電濫用中危害最高的一種。由于過量的鋰嵌入，鋰枝晶在陽極表面生長。其次，鋰的過度脫嵌導(dǎo)致陰極結(jié)構(gòu)因發(fā)熱和氧釋放而崩潰（NCA陰極的氧釋放）。氧氣的釋放加速了電解質(zhì)的分解，產(chǎn)生大量氣體。由于內(nèi)部壓力的增加，排氣閥打開，電池開始排氣。電芯中的活性物質(zhì)與空氣接觸以后，發(fā)生劇烈反應(yīng)，放出大量的熱，從而引發(fā)電池包的燃燒起火。

 

（3）熱濫用

 

熱濫用主要指在電池中的局部過熱，很少獨立存在，往往是通過機(jī)械濫用和電氣濫用發(fā)展而來，并且是最終直接觸發(fā)熱失控等事故的一種情況。熱濫用一般多為外部環(huán)境高或者在溫度控制系統(tǒng)不起作用下導(dǎo)致的電池?zé)崃窟^高從而造成的短路，從而引發(fā)熱失控。從原因上說，熱濫用的原因是最為復(fù)雜的，電池包的碰撞、損壞，電池內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、性能或是其他熱管理系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)的失靈都可能導(dǎo)致熱濫用的發(fā)生。

 

（4）內(nèi)部短路

內(nèi)部短路是由電池的正負(fù)極直接接觸，當(dāng)然接觸的程度不同，引發(fā)的后續(xù)反應(yīng)也差別很大，通常由機(jī)械和熱量濫用引起的大規(guī)模內(nèi)部短路將直接導(dǎo)致熱濫用。引發(fā)內(nèi)部短路原因同樣復(fù)雜，比如鋰離子電池過度充電，枝晶積累到一定程度導(dǎo)致刺穿電池隔膜，從而發(fā)生內(nèi)部短路 或是碰撞、穿刺傷害之后直接導(dǎo)致正負(fù)極接觸而導(dǎo)致熱失控。與外部因素產(chǎn)生的內(nèi)部短路相比，源于電池制造過程中自發(fā)的缺陷而引起的內(nèi)部短路，程度比較輕微，先天內(nèi)部短路產(chǎn)生的熱量很少，并不會立即觸發(fā)熱失控。而且這種內(nèi)在缺陷會經(jīng)過一段時間才會演化為程度較輕的內(nèi)短路。