鋰電池原理簡介
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-08-28 09:21
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我們無需杞人憂天，但也不能忽視鋰電池存在的安全隱患，你需要明白鋰電池為什么會(huì)爆炸，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(xiǎn)，尤其到了可充電的二次鋰電池時(shí)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(shí)，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(shí)，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(huì)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(shí)會(huì)起火燃燒并放出大量煙霧，但一般不會(huì)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(xiǎn)，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(huì)被過度充電，此時(shí)負(fù)極的層狀結(jié)構(gòu)無法存儲(chǔ)更多鋰離子，后續(xù)鋰離子會(huì)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(huì)刺透隔膜，使正負(fù)極短路，同時(shí)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(huì)對(duì)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(huì)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(huì)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(jì)上也必須嚴(yán)防過度放電。于是電池廠家在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)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(huì)檢測電池電壓，當(dāng)?shù)竭_(dá)臨界值時(shí)自動(dòng)關(guān)閉充電或放電過程；電池中還有熱敏保險(xiǎn)、可恢復(fù)保險(xiǎn)絲等部件，它們是保護(hù)線路板失效后的第二道屏障，會(huì)根據(jù)溫度情況自動(dòng)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(shí)自動(dòng)開啟的安全閥（圖6）；一些公司的電池還會(huì)在電解液中加入高分子材料，就算電芯被外力破壞，它也會(huì)阻止化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，阻隔鋰離子流動(dòng)，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(huì)傷及使用者。
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