鋰電池為什么有安全性問題

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(shí)），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(shí)，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(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

4、燃燒是如何發(fā)生的：熱量來源于大電流，同時(shí)在高電壓（超過5V）情況下，正極鋰的氧化物也會(huì)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(shí)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(huì)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(shí)，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(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。

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(gè)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(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。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(shí)鈷酸鋰的氧化性強(qiáng)，在175度時(shí)就會(huì)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(shí)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(shí)，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(shí)，允許鋰離子的通過。當(dāng)溫度升高時(shí)，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(shí)，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(cè)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(gè)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(gè)個(gè)電阻、電容，開關(guān)MOS管等電子元器件組成的pCB電路，各個(gè)元器件都存在失效的可能性。失效的保護(hù)電路會(huì)出現(xiàn)開路或?qū)▋煞N狀態(tài)，當(dāng)開路時(shí)會(huì)導(dǎo)致用戶不能使用電池組，而導(dǎo)通的狀態(tài)將會(huì)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。

前提

環(huán)境溫度

充電電流

試驗(yàn)過程

時(shí)間要求

結(jié)果要求

特種

按標(biāo)準(zhǔn)充滿電后

20℃±5℃

0.2C5A

直至保護(hù)電路起作用

無

不爆炸、不燃燒

輕工標(biāo)準(zhǔn)QB/T25022000

完全放電態(tài)的電池

20℃±5℃

0.2C5A

可讓保護(hù)電路起作用

12.5h

不爆炸、不燃燒

04科技部863電動(dòng)車蓄電池

按標(biāo)準(zhǔn)充滿電，放1小時(shí)后

20℃±5℃

1C1(A)

電壓達(dá)到5.0V

或充電90min

不爆炸、不燃燒

國家標(biāo)準(zhǔn)

GB/T18287-2000

按標(biāo)準(zhǔn)充滿電后

20℃±5℃

3C5A

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

UL標(biāo)準(zhǔn)

按標(biāo)準(zhǔn)充滿電后

20℃±5℃

以對(duì)應(yīng)電流和時(shí)間進(jìn)行。

注：C為標(biāo)稱容量，IC為測(cè)試電流

測(cè)試時(shí)間不得少于48h

不爆炸、不燃燒

注：UL(UnderwritersLaboratories)是一家產(chǎn)品安全測(cè)試和認(rèn)證機(jī)構(gòu)，對(duì)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(píng)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

前提

環(huán)境溫度

短路方法

外部電阻

時(shí)間

結(jié)果要求

特種

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

≤50mΩ

直至保護(hù)電路起作用

不爆炸、不燃燒、可正常充放電

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

≤50mΩ

6h以上

不爆炸、不燃燒

2004科技部863電動(dòng)車蓄電池

按標(biāo)準(zhǔn)充滿電1小時(shí)后

20℃±5℃

用導(dǎo)線連接正負(fù)極

≤10mΩ

10min

不漏液、不爆炸或燃燒

國家標(biāo)準(zhǔn)

GB/T18287-2000

按標(biāo)準(zhǔn)充滿電后

20℃±5℃

用導(dǎo)線連接正負(fù)極

≤50mΩ

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℃

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

0.1Ω

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

前提

環(huán)境溫度

鋼釘

試驗(yàn)過程

時(shí)間要求

結(jié)果要求

特種

按標(biāo)準(zhǔn)充滿電后

20℃±5℃

φ3mm

沿徑向強(qiáng)力刺穿

無規(guī)定

不爆炸、不燃燒

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(shí)以上

不爆炸、不燃燒

2004科技部863電動(dòng)車蓄電池

按標(biāo)準(zhǔn)充滿電后

20℃±5℃

φ3～8mm

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

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

前提

升溫速率

上限溫度

時(shí)間要求

結(jié)果要求

特種

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(gè)溫度環(huán)境中恒溫2小時(shí)，溫度交替移動(dòng)的時(shí)間不大于1min，然后在25℃下保持2小時(shí)

不變形、不開裂、不漏液、可正常充放電

輕工標(biāo)準(zhǔn)QB/T2502-2000

按標(biāo)準(zhǔn)充滿電后

5℃±1℃

130℃

60min

不爆炸、不燃燒

2004科技部863電動(dòng)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

國家標(biāo)準(zhǔn)

GB/T18287-2000

按標(biāo)準(zhǔn)充滿電后

5℃±2℃

150℃±2℃

30min

不爆炸、不燃燒

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(cè)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)考驗(yàn)

3、開展長時(shí)間、大量的安全測(cè)試，以檢測(cè)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