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鋰電池在滿電量爆炸和空電量爆炸時(shí)的危害有什么不一樣?

來源:寶鄂實(shí)業(yè)    2019-05-15 16:08    點(diǎn)擊量:
先看看鋰離子電池的電池總反應(yīng):LiCoO2 +6C →Li1-xCoO2+LixC電池在空電量的時(shí)候,從理想狀態(tài)假設(shè),電池內(nèi)部的狀態(tài)就是反應(yīng)式左邊的狀態(tài)。電池負(fù)極可以看做是石墨,正極就是鈷酸鋰,這兩種物質(zhì)都是很穩(wěn)定的。鈷酸鋰在290℃才開始反應(yīng),石墨就更不用說了。而且電池里面沒有能量,所以空電電池基本上很穩(wěn)定,不會(huì)發(fā)生起火爆炸的情況。現(xiàn)有的測(cè)試基本上都不能讓空電的電池起火(擠壓、重錘、130°熱箱烘烤、穿刺),唯一能讓它爆炸的就只有用火烤,用火燒也的好幾分鐘?;鹂倦姵乇ǖ臋C(jī)理是內(nèi)部電解液高熱下迅速氣化,撐爆殼體,可燃性氣體及正負(fù)極上殘余的電解液與明火相遇起火??偟膩碚f,空電電池爆炸,正負(fù)極的活性物基本上是不參與反應(yīng)的。現(xiàn)在說說滿電的情況。電池滿電的狀態(tài)就是電池反應(yīng)式右邊的狀態(tài),正極是脫鋰態(tài)的鈷酸鋰Li0.5CoO2(在LixCoO2中,能夠可逆嵌入/脫嵌的鋰是0.5左右),負(fù)極是嵌鋰碳LiC6。鈷酸鋰脫鋰后,材料結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,由穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)向?yàn)閬喎€(wěn)定狀態(tài):LiCoO2 →Li0.5CoO2+0.5Li++0.5e- Li0.5CoO2在高溫下會(huì)發(fā)生分解反應(yīng)釋放氧氣: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 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?/div>
 
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。綜合以上爆炸的類型,我們可以將防爆重點(diǎn)放在 過充的防止、外部短路的防止、及提升電芯安全性三方面。其中過充防止及外部短路防止屬于電子防護(hù),與電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)及電池組裝有較大關(guān)系。電芯安全性提升 之重點(diǎn)為化學(xué)與機(jī)械防護(hù),與電池芯制造廠有較大關(guān)系。
 
鈷酸鋰正極活性材料在小電芯方面是很成熟的體系,但是充滿電后,仍舊有大量的鋰離子留在正極,當(dāng)過充時(shí),殘留在正極的鋰離子將會(huì)涌向負(fù)極,在負(fù)極上形成枝晶是采用鈷酸鋰材料的電池過充時(shí)必然的結(jié)果,甚至在正常充放電過程中,也有可能會(huì)有多余的鋰離子游離到負(fù)極形成枝晶,鈷酸鋰材料的理論比能量是超過每克270毫安時(shí)的,但為保證其循環(huán)性能,實(shí)際使用容量只有理論容量的一半。在使用過程中,由于某種原因(如管理系統(tǒng)損壞)而導(dǎo)致電池充電電壓過高,正極中剩余的一部分鋰就會(huì)脫出,經(jīng)電解液到負(fù)極表面以金屬鋰的形式沉積形成枝晶。枝晶刺穿隔膜,形成內(nèi)部短路。
 
電解液的主要成分為碳酸酯,閃點(diǎn)很低,沸點(diǎn)也較低,在一定條件下會(huì)燃燒甚至爆炸。如電池出現(xiàn)過熱,會(huì)導(dǎo)致電解液中的碳酸酯被氧化和還原,產(chǎn)生大量氣體和更多的熱,如缺少安全閥或者氣體來不及通過安全閥釋放,電池內(nèi)壓便會(huì)急劇上升而引起爆炸。
 
聚合物電解質(zhì)鋰離子電池并沒有從根本上解決安全性問題,同樣使用鈷酸鋰和有機(jī)電解液,而且電解液為膠狀,不易泄漏,將會(huì)發(fā)生更猛烈的燃燒,燃燒是聚合物電池安全性最大的問題。
 
在使用方面也存在一些問題,電池發(fā)生外部短路或內(nèi)部短路將產(chǎn)生幾百安培的過大電流。外部短路時(shí)電池瞬間大電流放電,在內(nèi)阻上消耗大量能量,產(chǎn)生巨大熱量。內(nèi)部短路形成大電流,溫度上升導(dǎo)致隔膜熔化,短路面積擴(kuò)大,進(jìn)而形成惡性循環(huán)。
 
鋰離子電池為達(dá)到單只電芯 3~4.2V的高工作電壓,必須采取分解電壓大于2V的有機(jī)電解液,而采用有機(jī)電解液在大電流、高溫的條件下會(huì)被電解,電解產(chǎn)生氣體,導(dǎo)致內(nèi)部壓力升高,嚴(yán)重會(huì)沖破殼體。
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