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行業(yè)資訊

鋰電池是否危險(xiǎn)?

來源:寶鄂實(shí)業(yè)    2021-03-24 13:28    點(diǎn)擊量:
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。
 
● 設(shè)計(jì)上的安全措施
 
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(cè)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。
 
制造鋰電池時(shí),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(jiǎn)單,但要保證產(chǎn)品的質(zhì)量,以上所有過程中有會(huì)涉及成百上千個(gè)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(cè)工序,電池必須通過擠壓、沖擊、震動(dòng)、電擊、跌落、加熱等一系列測(cè)試,確定不會(huì)出現(xiàn)燃燒、爆炸、漏液等情況方允許出廠。

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