你明白鋰電池為什么會爆炸嗎？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-05-24 16:46
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這就要從了解鋰電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)開始說起了。鋰電池內(nèi)部同樣有正極、負(fù)極，以及之間的隔膜和電解液，早期鋰電池的負(fù)極材料是單質(zhì)鋰，但金屬鋰十分活潑，遇水、氮、酸或氧化劑有起火和爆炸危險，尤其到了可充電的二次鋰電池時期，反復(fù)的充放電使得粉狀鋰單質(zhì)越積越多，充電過程中可能形成的鋰晶體結(jié)成枝狀，引起電池內(nèi)部短路，最終導(dǎo)致起火或爆炸。
放棄鋰元素不可能，因?yàn)樗兄钚〉拿芏群妥畲蟮碾娯?fù)性，具有極高的比能量，是目前制作電池的上佳之選。要解決鋰的不穩(wěn)定性，今天我們使用的鋰電池中采用了最有效的解決辦法——放棄使用鋰單質(zhì)，核心部分采用更穩(wěn)定的鋰離子以及鋰嵌合物。如今的鋰電池中，正極可以是不同類型的鋰化合物，負(fù)極主要是層狀結(jié)構(gòu)的石墨類物質(zhì)，用于嵌入帶正電的鋰離子。在充電時，正極部分的鋰離子離開含鋰化合物，最終嵌入負(fù)極的層狀結(jié)構(gòu)里；在放電時，鋰離子離開負(fù)極，通并結(jié)合在正極的化合物中。正負(fù)極間的隔膜即可防止短路，而且在特殊情況下可以關(guān)閉離子通道，加上沒有鋰單質(zhì)的參與，充放電過程都變得安全多了。在以下的說明中，我們所指的鋰電池均為鋰離子電池（加粗）。
在智能手機(jī)等小型數(shù)碼產(chǎn)品中，廠家還會使用更先進(jìn)的鋰聚合物電池（圖02）。這種鋰電池使用高分子材料，目前主要應(yīng)用在電解質(zhì)和正極上，由于電解質(zhì)為固體或膠狀，無需使用隔膜，避免了因其失效導(dǎo)致的壽命或安全問題。鋰聚合物電池即使出現(xiàn)故障，通常也僅是電池鼓脹、失效，嚴(yán)重時會起火燃燒并放出大量煙霧，但一般不會爆炸。鋰聚合物電池還有良好的可塑性，可根據(jù)要求制作成各種形狀，理論上的最小厚度僅為0.5mm。
只在材料上做出改進(jìn)不能完全避免危險，譬如電池充電電壓高于4.2V后仍堅(jiān)持繼續(xù)加壓，電池就會被過度充電，此時負(fù)極的層狀結(jié)構(gòu)無法存儲更多鋰離子，后續(xù)鋰離子會堆積在負(fù)極材料表面，獲得電子后，向正極方形成樹枝狀結(jié)晶，它們會刺透隔膜，使正負(fù)極短路，同時電解液因高溫而被電解，產(chǎn)生氣體，電芯內(nèi)部壓力升高，最終導(dǎo)致起火燃燒甚至爆炸。同樣如果過度放電，也會對負(fù)極造成不可逆的損傷，影響電池充電量與壽命。除了電壓之外，充電電流過大也會令鋰離子來不及進(jìn)入負(fù)極層狀結(jié)構(gòu)，與過度充電類似，鋰離子會大量堆積在負(fù)極材料表面，有可能導(dǎo)致短路， 電池外殼破裂甚至?xí)ā?/div>
總結(jié)下來，導(dǎo)致鋰電池爆炸的直接原因是短路，短路一般又是由于過度充電或電流過大引起的，而且為了保證電池壽命，設(shè)計上也必須嚴(yán)防過度放電。于是電池廠家在設(shè)計產(chǎn)品時都加入了一些防護(hù)措施，包括防止過充過放的保護(hù)線路板（圖5），它會檢測電池電壓，當(dāng)?shù)竭_(dá)臨界值時自動關(guān)閉充電或放電過程；電池中還有熱敏保險、可恢復(fù)保險絲等部件，它們是保護(hù)線路板失效后的第二道屏障，會根據(jù)溫度情況自動斷開，阻止化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行；此外，還有用來阻燃的電芯保護(hù)殼，電池內(nèi)部壓力上升到一定數(shù)值時自動開啟的安全閥（圖6）；一些公司的電池還會在電解液中加入高分子材料，就算電芯被外力破壞，它也會阻止化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，阻隔鋰離子流動，避免電池過熱爆炸。這些屏障理論上可以保證電池的安全性，就算出現(xiàn)故障也不會傷及使用者。
電池中的保護(hù)線路板上裝有類似圖中的控制芯片，會監(jiān)控電池的狀態(tài)，遇危險時自動斷電。筆記本電池組中的控制芯片更為重要，它必須監(jiān)控電池組中每個電芯的狀態(tài)，即使只有一個出現(xiàn)問題也會危及整個電池組的安全
制造鋰電池時，合格廠家都有嚴(yán)格的工序控制。以鋰離子電池為例，“制漿”是用專門溶劑與粘合劑與粉末狀的正負(fù)極活性物混合，經(jīng)高速攪拌均勻后制作成漿狀的正負(fù)極材料；“涂膜”步驟將漿狀材料均勻地涂在金屬箔表面，烘干后分別制成正負(fù)極極片；“裝配”過程中將按“正極片、隔膜、負(fù)極片、隔膜”的順序放好，經(jīng)過卷繞后制作成電芯，最后經(jīng)過注入電解液等工序，完成電池的裝配。聽起來簡單，但要保證產(chǎn)品的質(zhì)量，以上所有過程中有會涉及成百上千個需要注意的細(xì)節(jié)，廠家必須使用優(yōu)質(zhì)的原料，擁有可靠的設(shè)備和工作環(huán)境，并依靠工人細(xì)致的操作，最終才能讓電池具有出色的品質(zhì)。而任何一步出現(xiàn)問題，產(chǎn)出的電池都將成為廢品。另外很重要的一點(diǎn)是，廠家必須有嚴(yán)格的產(chǎn)品檢測工序，電池必須通過擠壓、沖擊、震動、電擊、跌落、加熱等一系列測試，確定不會出現(xiàn)燃燒、爆炸、漏液等情況方允許出廠。
● 哪些原因?qū)е路雷o(hù)措施失效
即使有保護(hù)措施的存在，每年依然有一些人被鋰電池所傷，移動設(shè)備出現(xiàn)電池故障，起火乃至爆炸更是屢見不鮮。對我們普通用戶而言，買來一款數(shù)碼產(chǎn)品，只要老老實(shí)實(shí)按說明書使用，就不應(yīng)該出現(xiàn)任何可能傷害性命的問題，到底是什么原因?qū)е卤Ｗo(hù)措施失靈呢？我們再次回憶一下電池起火爆炸的元兇——短路。電池有可能發(fā)生短路，更有可能由此引發(fā)劇烈的化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致燃燒爆炸，但所有這些問題，不是本該在電池出廠由廠家排除掉了的嗎？所以我們正常使用數(shù)碼產(chǎn)品，出現(xiàn)任何電池引起的故障都應(yīng)向廠商問責(zé)！
深入挖掘那些因電池燃燒、爆炸造成損失的事件，你一定會發(fā)現(xiàn)其中大部分都是由于使用了不合格的電池所致。這些電池多由小作坊企業(yè)生產(chǎn)，外觀假冒品牌電池（圖7），經(jīng)過特殊渠道流入市場。部分人為了追求利益，完全不顧及法律的制裁，明目張膽地在網(wǎng)上銷售，導(dǎo)致許多用戶遭殃。我們已經(jīng)知道，制造鋰電池并非看起來那么容易，那是一個需要小心謹(jǐn)慎、仔仔細(xì)細(xì)完成的工作，從選料、裝配到質(zhì)檢，任何一步的馬虎都有可能釀成災(zāi)難。
假貨電池外觀仿真度極高（左側(cè)為仿冒品，右側(cè)為真品），雖然在印刷工藝、外殼材質(zhì)上與真品是區(qū)別的，但普通消費(fèi)者常常難以分辨
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