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，可用來儲(chǔ)存鋰原子。這樣一來，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@得高容量密度的同時(shí)，也達(dá)到安全的目的。 

安電防爆測(cè)試          

 

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) 程序倒過來。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，來防止短路。好的隔膜紙還可以在電池溫度過高時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉細(xì) 孔，讓鋰離子無法穿越，以自廢武功，防止危險(xiǎn)發(fā)生。

 

 

 

  保護(hù)措施  

 

    鋰電池芯過充到電壓高于4.2V后，會(huì)開始產(chǎn)生副作用。過充電壓愈高，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)極表面往鋰離子來的方向長(zhǎng)出樹枝狀結(jié)晶。這些鋰金屬結(jié)晶會(huì)穿過隔膜紙，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^充過程，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。電流過大時(shí)，鋰離子來不及進(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，這與過充一樣，會(huì)造成危險(xiǎn)性。萬一電池外殼破裂，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。

 

 

 

  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(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，電流不見得會(huì)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(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^充造成的。因?yàn)椋^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?nbsp; 

 

 

 

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(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。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。  

 

鋰離子電池起火的原因分析

 

作為純電動(dòng)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(dòng)提供動(dòng)力的同時(shí)會(huì)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(shí)將會(huì)損害整個(gè)電池的壽命和安全。純電動(dòng)汽車中，動(dòng)力電池系統(tǒng)是由多個(gè)動(dòng)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(shí)地快速散出，高溫會(huì)影響動(dòng)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(gè)方面：

 

（1） 機(jī)械濫用

 

主要發(fā)生在汽車碰撞時(shí)，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(duì)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(huì)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(duì)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(zhǎng)會(huì)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(gè)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(shí)，電池產(chǎn)生的熱量無法很好的散去時(shí)，電池溫度也會(huì)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(zhǎng)。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(dú)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(huì)立即觸發(fā)熱失控。而且這種內(nèi)在缺陷會(huì)經(jīng)過一段時(shí)間才會(huì)演化為程度較輕的內(nèi)短路。