鋰電池為什么有安全性問題
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1、內(nèi)部短路是如何形成的：鋰離子電池的最大的隱患是應(yīng)用鈷酸鋰的鋰離子電池在過充的情況下（甚至正常充放電時），鋰離子在負(fù)極堆積形成枝晶，刺穿隔膜，形成內(nèi)部短路。 ? ? 2、 產(chǎn)生大電流：外部短路，內(nèi)部短路將產(chǎn)生幾百安培的過大電流 ? ? ? ? i. 外部短路時，由于外部負(fù)載過低，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。 ? ? ? ? ii. 內(nèi)部短路，主要原因是隔膜被穿透，內(nèi)部形成大電流，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) | |
| ? ? 3、 氣體是哪里來的：鋰離子電池為達(dá)到單只電芯 3 － 4.2V 的高工作電壓（鎳氫和鎳硌電池工作電壓為 1.2V ，鉛酸電池工作電壓為 2V ），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，高溫的條件下會被電解，電解產(chǎn)生氣體，導(dǎo)致內(nèi)部壓力升高，嚴(yán)重會沖破殼體 ? ? 4、 燃燒是如何發(fā)生的：熱量來源于大電流，同時在高電壓（超過 5V ）情況下，正極鋰的氧化物也會發(fā)生氧化反應(yīng)，析出金屬鋰，在氣體導(dǎo)致殼體破裂的情況下，與空氣直接接觸，導(dǎo)致燃燒，同時引燃電解液，發(fā)生強(qiáng)烈火焰，氣體急速膨脹，發(fā)生爆炸。 ? ? 5、 聚合物電池是否會有安全性問題：聚合物電池與鋰離子電池的區(qū)別在于電解液為膠狀、半固態(tài)，鋰離子電池電解液為液態(tài)。所以，聚合物電池可以使用軟包裝，在內(nèi)部產(chǎn)生氣體時，可以更早的突破殼體，避免氣體聚集過多，產(chǎn)生激烈漲裂。但聚合物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。 | |
? 二、 如何解決大容量鋰電池的安全性問題
????鋰離子電池的安全性問題，并不是外圍問題，而是一個基于材料技術(shù)的本質(zhì)問題。
在材料技術(shù)上取得突破：
????1、 選擇安全的正極材料，目前的正極有鈷酸鋰和錳酸鋰兩種量產(chǎn)的材料產(chǎn)品。鈷酸鋰在小電芯方面是很成熟的體系，由于鈷酸鋰在分子結(jié)構(gòu)方面（ LiCo ）的特點(diǎn)：充滿電后，仍舊有大量的鋰離子留在正極，當(dāng)過充時，殘留在正極的鋰離子將會涌向負(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必然的結(jié)果，甚至在正常充放電過程中，也有可能會有多余的鋰離子游離到負(fù)極形成枝晶。所以手機(jī)電池頻頻發(fā)生爆炸事件，一方面是由于保護(hù)電路失效，但更重要的是在材料方面并沒有根本的解決問題。同時鈷酸鋰的氧化性強(qiáng)，在 175 度時就會分解，殼體泄漏，與空氣接觸，發(fā)生燃燒、爆炸。
????2、 選擇錳酸鋰材料，在分子結(jié)構(gòu)方面保證了在滿電狀態(tài)，正極的鋰離子已經(jīng)完全嵌入到負(fù)極炭孔中，從根本上避免了枝晶的產(chǎn)生。同時錳酸鋰穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)，使其氧化性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鈷酸鋰，分解溫度超過鈷酸鋰 100 度，即使由于外力發(fā)生內(nèi)部短路（針刺），外部短路，過充電時，也完全能夠避免了由于析出金屬鋰引發(fā)燃燒、爆炸的危險(xiǎn)。
????3、 選擇熱關(guān)閉性能好的隔膜，隔膜的作用是在隔離電池正負(fù)極的同時，允許鋰離子的通過。當(dāng)溫度升高時，在隔膜熔化前進(jìn)行關(guān)閉，從而使內(nèi)阻上升至 2000 歐姆，讓內(nèi)部反應(yīng)停止下來。
????4、 防爆閥：當(dāng)內(nèi)部壓力或溫度達(dá)到預(yù)置的標(biāo)準(zhǔn)時，防爆閥將打開，開始進(jìn)行卸壓，以防止內(nèi)部氣體積累過多，發(fā)生形變，最終導(dǎo)致殼體爆裂。
????5、 保護(hù)電路：通常保護(hù)電路需起到防止過充電，過放電，超大電流的作用。主要原理是通過測量每一只電芯的電壓和總電流，控制開關(guān)電路進(jìn)行整個回路的關(guān)斷，在電路的設(shè)計(jì)上并沒有過高的難度。但保護(hù)電路的設(shè)計(jì)是否合理，可靠性是否足夠高，是考驗(yàn)生產(chǎn)廠商的能力。保護(hù)電路是基于大約數(shù)十個個電阻、電容，開關(guān) MOS 管等電子元器件組成的 PCB 電路，各個元器件都存在失效的可能性。失效的保護(hù)電路會出現(xiàn)開路或?qū)▋煞N狀態(tài)，當(dāng)開路時會導(dǎo)致用戶不能使用電池組，而導(dǎo)通的狀態(tài)將會考驗(yàn)電芯抗過充的能力。
? 三、 用什么樣的標(biāo)準(zhǔn)考察大容量鋰電池的安全性
????1、 過充試驗(yàn)
????利用恒定電流持續(xù)給電芯充電，設(shè)定固定電壓上限。電芯內(nèi)部在負(fù)極上產(chǎn)生鋰離子枝晶，刺穿隔膜是通過該試驗(yàn)最大的威脅。
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前提 |
環(huán)境溫度 |
充電電流 |
試驗(yàn)過程 |
時間要求 |
結(jié)果要求 | |
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軍工 |
按標(biāo)準(zhǔn)充滿電后 |
20 ℃ ± 5 ℃ |
0.2C 5A |
直至保護(hù)電路起作用 |
無 |
不爆炸、不燃燒 |
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輕工標(biāo)準(zhǔn) QB/T25022000 |
完全放電態(tài)的電池 |
20℃ ± 5℃ |
0.2C 5A |
可讓保護(hù)電路起作用 |
12.5h |
不爆炸、不燃燒 |
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04 科技部 863 電動車蓄電池 |
按標(biāo)準(zhǔn)充滿電，放 1 小時后 |
20℃ ± 5℃ |
1C 1(A) |
電壓達(dá)到 5.0V |
或充電 90min |
不爆炸、不燃燒 |
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國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 18287-2000 |
按標(biāo)準(zhǔn)充滿電后 |
20℃ ± 5℃ |
3C 5 A |
上限電壓 10V ， |
溫度下降峰值 10 ℃ 后結(jié)束實(shí)驗(yàn) |
不爆炸、不燃燒 |
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UL 標(biāo)準(zhǔn) |
按標(biāo)準(zhǔn)充滿電后 |
20℃ ± 5℃ |
以 對應(yīng)電流和時間進(jìn)行。 注： C 為標(biāo)稱容量， I C 為測試電流 |
測試時間不得少于 48h |
不爆炸、不燃燒 | |
注：UL(Underwriters Laboratories)是一家產(chǎn)品安全測試和認(rèn)證機(jī)構(gòu)，對消費(fèi)者來說UL就是安全標(biāo)志的象征。全球，UL是制造廠商最值得信賴的合格評估提供者之一。（摘自UL實(shí)驗(yàn)室中文網(wǎng)站）
????2、 短路試驗(yàn)
????用小電阻的導(dǎo)線直接連接正負(fù)極，使電池形成超大電流回路，電池內(nèi)部快速升溫
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前提 |
環(huán)境溫度 |
短路方法 |
外部電阻 |
時間 |
結(jié)果要求 | |
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軍標(biāo) |
按標(biāo)準(zhǔn)充滿電后的電池組 |
20 ℃ ± 5 ℃ |
用導(dǎo)線連接正負(fù)極 |
≤ 50m Ω |
直至保護(hù)電路起作用 |
不爆炸、不燃燒、可正常充放電 |
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輕工標(biāo)準(zhǔn) QB/T2502-2000 |
按標(biāo)準(zhǔn)充滿電后 |
20℃ ± 5℃ |
用導(dǎo)線連接正負(fù)極 |
≤ 50m Ω |
6h 以上 |
不爆炸、不燃燒 |
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2004 科技部 863 電動車蓄電池 |
按標(biāo)準(zhǔn)充滿電 1 小時后 |
20℃ ± 5℃ |
用導(dǎo)線連接正負(fù)極 |
≤ 10m Ω |
10min |
不漏液、不爆炸或燃燒 |
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國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 18287-2000 |
按標(biāo)準(zhǔn)充滿電后 |
20℃ ± 5℃ |
用導(dǎo)線連接正負(fù)極 |
≤ 50m Ω |
溫度下降峰值 10 ℃ 后結(jié)束實(shí)驗(yàn) |
不爆炸、不燃燒，外部溫度不得高于 150℃ |
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UL 標(biāo)準(zhǔn) |
按標(biāo)準(zhǔn)充滿電后 |
60℃ ± 2℃ 20℃ ± 5℃ |
用導(dǎo)線連接正負(fù)極 |
0.1 Ω |
直至溫度下降接近環(huán)境溫度 |
不爆炸、不燃燒，外殼溫度不得高于 150℃ |
????3、 針刺試驗(yàn)
????用鐵針垂直穿透電池，持續(xù)形成內(nèi)部短路
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前提 |
環(huán)境溫度 |
鋼釘 |
試驗(yàn)過程 |
時間要求 |
結(jié)果要求 | |
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軍工 |
按標(biāo)準(zhǔn)充滿電后 |
20℃ ± 5℃ |
φ 3mm |
沿徑向強(qiáng)力刺穿 |
無規(guī)定 |
不爆炸、不燃燒 |
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輕工標(biāo)準(zhǔn) QB/T2502-2000 |
按標(biāo)準(zhǔn)充滿電后 |
20 ℃ ± 5 ℃ |
2.5 ～ 5mm |
中央與電極面垂直的方向穿透 |
放置 6 小時以上 |
不爆炸、不燃燒 |
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2004 科技部 863 電動車蓄電池 |
按標(biāo)準(zhǔn)充滿電后 |
20℃ ± 5℃ |
φ 3 ～ 8mm |
垂直于極板的方向迅速貫穿 |
鋼針停留在其中 |
不爆炸、不燃燒 |
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UL 標(biāo)準(zhǔn) |
按標(biāo)準(zhǔn)充滿電后 |
20℃ ± 5℃ |
在電池的正面與側(cè)面，在 3ms 內(nèi)以最小加速度 75g ，最大加速度 125 -175g 撞擊電池 |
不爆炸、不燃燒、排出物≤ 5g | ||
????4、 熱沖擊
????把電芯放入高溫箱中， 以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的速度升溫 ，持續(xù)的高溫導(dǎo)致內(nèi)部隔膜熔化，形成大面積內(nèi)部短路
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前提 |
升溫速率 |
上限溫度 |
時間要求 |
結(jié)果要求 | |
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軍工 |
按標(biāo)準(zhǔn)充滿電后 |
電池組在溫度（ -40 ℃ ± ２ ℃ ）與（ 70 ℃ ± ２ ℃ ）之間循環(huán) 4 次 , 并在各個溫度環(huán)境中恒溫 2 小時，溫度交替移動的時間不大于 1min ，然后在 25℃ 下保持 2 小時 |
不變形、不開裂、不漏液、可正常充放電 | ||
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輕工標(biāo)準(zhǔn) QB/T2502-2000 |
按標(biāo)準(zhǔn)充滿電后 |
5 ℃ ± 1 ℃ |
130 ℃ |
60 min |
不爆炸、不燃燒 |
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2004 科技部 863 電動車蓄電池 |
按標(biāo)準(zhǔn)充滿電后 |
5 ± 2 ℃ |
70 ± 2 ℃ |
20min |
不漏液、不變形、不爆炸或燃燒 |
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國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 18287-2000 |
按標(biāo)準(zhǔn)充滿電后 |
5℃ ± 2℃ |
150 ℃ ± 2℃ |
30 min |
不爆炸、不燃燒 |
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UL 標(biāo)準(zhǔn) |
按標(biāo)準(zhǔn)充滿電后 |
5℃ ± 2℃ |
150 ℃ ± 2℃ |
10min |
不爆炸、不燃燒 |
? 四、 如何采購安全的鋰電池
????1、選擇使用錳酸鋰材料的電池
????2、 委托權(quán)威部門進(jìn)行安全性的檢測，進(jìn)行現(xiàn)場考驗(yàn)
????3、 開展長時間、大量的安全測試，以檢測保護(hù)電路、電芯的可靠性
????4、 選擇有實(shí)力的供應(yīng)商為合作伙伴