鉅大LARGE | 點擊量：3977次 | 2020年11月16日
解析影響鋰離子電池安全的主要因素
鋰離子電池產品經過30年的產業(yè)化發(fā)展，安全技術取得了長足的進步，有效地控制了電池內副反應的發(fā)生，保證了電池的安全性。但是，隨著鋰離子電池的使用越來越廣泛，能量密度越來越高，近年來還是屢屢發(fā)生爆炸傷人或因安全隱患產品等事件。我們總結造成鋰離子電池產品安全問題的原因主要有以下幾點：
首先合格的鋰離子電池安全性是很高的，作為用戶只要按照正確的電池使用方法，發(fā)生自燃的概率是微乎其微。不要貪圖便宜購買劣質低價鋰電池，低價必然意味偷工減料、以次充好。
鋰電池發(fā)生事故原因總結起來就是：
"急功近利"
"無知者無畏"
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
鋰電池安全隱患解析：
一般來說，鋰離子電池出現(xiàn)安全問題表現(xiàn)為燃燒甚至爆炸，出現(xiàn)這些問題的根源在于電池內部的熱失控。除此之外，一些外部因素，如過充、火源、擠壓、穿刺、短路等問題也會導致安全性問題。鋰離子電池在充放電過程中會發(fā)熱，如果產生的熱量超過了電池熱量的耗散能力，鋰離子電池就會過熱，電池材料就會發(fā)生SEI膜的分解、電解液分解、正極分解、負極與電解液的反應和負極與粘合劑的反應等破壞性的副反應。
1.正極材料的安全隱患
當鋰離子電池使用不當時，導致電池內部溫度的升高，使正極材料會發(fā)生活性物質的分解和電解液的氧化。同時，這兩種反應能夠產生大量的熱，從而造成電池溫度的進一步上升。不同的脫鋰狀態(tài)對活性物質晶格轉變、分解溫度和電池的熱穩(wěn)定性影響相差很大。
2.負極材料的安全隱患
早期使用的負極材料是金屬鋰，組裝的電池在多次充放電后易產生鋰枝晶(鋰電池在充電過程中鋰離子還原時形成的樹枝狀金屬鋰)，進而刺破隔膜，導致電池短路、漏液甚至發(fā)生爆炸。嵌鋰化合物能夠有效避免鋰枝晶的產生，大大提高鋰離子電池的安全性。隨著溫度的升高，嵌鋰狀態(tài)下的碳負極首先與電解液發(fā)生放熱反應。相同的充放電條件下，電解液與嵌鋰人造石墨反應的放熱速率遠大于與嵌鋰的中間相碳微球、碳纖維、焦碳等的反應放熱速率。
3.隔膜與電解液的安全隱患
鋰離子電池的電解液為鋰鹽與有機溶劑的混合溶液，其中商用的鋰鹽為六氟磷酸鋰，該材料在高溫下易發(fā)生熱分解，并與微量的水以及有機溶劑之間進行熱化學反應，降低電解液的熱穩(wěn)定性。電解液有機溶劑為碳酸酯類，這類溶劑沸點、閃點(閃燃是液體表面產生足夠的蒸氣與空氣混合形成可燃性氣體時，遇火源產生短暫的火光，發(fā)生一閃即滅的現(xiàn)象。閃燃的最低溫度稱為閃點)較低，在高溫下容易與鋰鹽釋放PF5的反應，易被氧化。
4.制造工藝中的安全隱患
鋰離子電池在制造過程中，電極制造、電池裝配等過程都會對電池的安全性產生影響。如正極和負極混料、涂布、輥壓、裁片或沖切、組裝、加注電解液的量、封口、化成等諸道工序的質量控制，無一不影響電池的性能和安全性。漿料的均勻度決定了活性物質在電極上分布的均勻性，從而影響電池的安全性。漿料細度太大，電池充放電時會出現(xiàn)負極材料膨脹與收縮比較大的變化，可能出現(xiàn)金屬鋰的析出；漿料細度太小會導致電池內阻過大。涂布加熱溫度過低或烘干時間不足會使溶劑殘留，粘結劑部分溶解，造成部分活性物質容易剝離；溫度過高可能造成粘結劑炭化，活性物質脫落造成電池內部短路。另外，電解液中如果混入了過多的水分，可能就會發(fā)生副反應而增大電池內壓，對安全造成影響
5.電芯設計缺陷安全性能降低
在結構設計上，許多對安全有影響的關鍵點沒有被廠家重視，如關鍵部位沒有絕緣膠帶，隔膜設計沒有留有余量或余量不足，正負極容量比設計不合理，正負極活性物質面積比設計不合理，極耳長度設計不合理等，這些都可能對電池的安全性埋下隱患。另外在電芯的生產過程中，一些電芯生產廠家為了節(jié)省成本和提高性能，盡量節(jié)省和壓縮原材料，如減少隔膜面積、減薄銅箔、鋁箔以及不使用泄壓閥、不使用絕緣膠帶等，這些都會降低電池的安全性。
6.能量密度過高
目前市場上都在追求更高容量的電池產品，廠家為了增加產品競爭力，不斷提高鋰離子電池的體積比能量，這在很大程度上增加了電池的危險性。
7.電池使用過程中的安全隱患
鋰離子電池在使用過程中應該盡可能減少過充電或者過放電，特別對于單體容量高的電池，過充電或者過放電可能會引發(fā)一系列放熱副反應，導致安全性問題。
8.聚合物鋰離子電池是否會有安全隱患：
根據鋰離子電池所用電解質材料的不同，鋰離子電池分為液態(tài)鋰離子電池和聚合物鋰離子電池或塑料鋰離子電池。
聚合物鋰離子電池所用的正負極材料與液態(tài)鋰離子電池都是相同的，正極材料為鈷酸鋰、錳酸鋰、三元材料和磷酸鐵鋰材料，負極為石墨，電池工作原理也基本一致。它們的主要區(qū)別在于電解質的不同，液態(tài)鋰離子電池使用液體電解質，聚合物鋰離子電池則以固體聚合物電解質來代替，這種聚合物可以是"干態(tài)"的，也可以是"膠態(tài)"的，目前大部分采用聚合物凝膠電解質。
聚合物鋰離子電池可以使用軟包裝，在內部產生氣體時，可以更早的突破殼體，避免氣體聚集過多，產生激烈漲裂。很多人認為聚合物鋰離子電池的安全性能比液態(tài)鋰離子電池的安全性能要好。
但聚合物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電解液，而且電解液為膠狀，不易泄漏，一旦過熱將會發(fā)生更猛烈的燃燒。燃燒是聚合物鋰離子電池安全性最大的問題。
8路5V20A鋰電池檢測分容均衡儀
常用的安全技術：
雖然鋰離子電池具有諸多危險隱患，但是在特定的使用條件下，以及采用一定的措施是可以有效地控制電芯內副反應和劇烈反應的發(fā)生，保證其使用安全的。下面就簡單介紹幾種鋰離子電池常用的安全技術。
1選用安全系數更高的原材料
選用安全系數更高的正負極活性材料、隔膜材料和電解液。
a）正極材料的選擇
正極材料的安全性主要基于以下3個方面：
1材料的熱力學穩(wěn)定性；
2材料的化學穩(wěn)定性；
3材料的物理性能。
選擇更安全的電極材料，比如選擇錳酸鋰材料，在分子結構方面保證了在滿電狀態(tài)，正極的鋰離子已經完全嵌入到負極炭孔中，從根本上避免了枝晶的產生。同時錳酸鋰穩(wěn)固的結構，使其氧化性能遠遠低于鈷酸鋰，分解溫度超過鈷酸鋰100℃，即使由于外力發(fā)生內部短路（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。
另外，采用錳酸鋰材料還可以大幅度降低成本。
b）隔膜材料的選擇
隔膜的主要作用是將電池的正、負極分隔開，防止正負極接觸而短路，同時具有使電解質離子通過的能力，即具有電子絕緣性和離子導通性。當溫度升高時，在隔膜熔化前進行關閉，從而使內阻上升至2000歐姆，讓內部反應停止下來。鋰離子電池選用隔膜時應注意以下幾點：
1具有電子絕緣性，保證正負極的機械隔離；
2有一定的孔徑和孔隙率，保證低的電阻和高的離子電導率；
3隔膜材料具有足夠的化學穩(wěn)定性，必須耐電解液腐蝕；
4隔膜要有自動關斷保護的功能；
5隔膜的熱收縮率和變形性要盡可能地小；
6隔膜要具有一定的厚度；
7隔膜要具有較強的物理強度并有足夠大的抗穿刺的能力。
c）電解液的選擇
電解液是鋰離子電池的重要組成部分，在電池正負極之間起著輸送和傳導電流的作用。鋰離子電池使用電解液是以適當的鋰鹽溶解在有機非質子混合溶劑中而形成的電解質溶液。它通常應滿足以下幾方面的要求：
1化學穩(wěn)定性好，與電極活性物質、集流體和隔膜不發(fā)生化學反應；
2電化學穩(wěn)定性好，具有較寬的電化學窗口；
3鋰離子電導率高，電子電導率低；
4液態(tài)溫度范圍寬；
5安全無毒，對環(huán)境友好。
2加強電芯整體安全性設計
電芯是將電池各種物質組合起來的紐帶，是正極、負極、隔膜、極耳和包裝膜等系統(tǒng)之集成，電芯結構設計，不單影響到各種材料性能的發(fā)揮，還對電池的整體電化學性能、安全性能產生重要的影響。材料的選擇與電芯結構設計正是一種局部與整體的關系，在電芯設計上，應該結合材料特性來制定合理的結構模式。
另外，在鋰電池結構上還可以考慮一些額外的保護裝置，常見的保護機構設計有以下幾種：
1采用開關元件，當電池內的溫度上升時，它的阻值隨之上升，當溫度過高時，會自動停止供電；
2設置安全閥（就是電池頂部的放氣孔），電池內部壓力上升到一定的數值時，安全閥自動打開，保證電池的使用安全性。當內部壓力或溫度達到預置的標準時，防爆閥將打開，開始進行卸壓，以防止內部氣體積累過多，發(fā)生形變，最終導致殼體爆裂。
下面對電芯結構的安全設計提出一些實例：
a）正負極容量比和設計大小片
根據正負極材料的特性來選擇合適的正負極容量比，電芯的正負極容量的配比是關系到鋰離子電池安全性的重要環(huán)節(jié)，正極容量過大將會出現(xiàn)金屬鋰在負極表面沉積，而負極過大電池的容量會有較大的損失。一般而言，N/P=1.05～1.15，并根據實際的電池容量和安全性要求進行適當的選擇。設計大小片，使負極膏體（活性物質）位置包住（大于）正極膏體，位置，一般寬度應大1～5mm，長度應大5～10mm。
b）隔膜寬度留有余量
隔膜寬度設計的總體原則是防止正負極片直接接觸而發(fā)生內部短路，由于電池在充放電過程中和熱沖擊等環(huán)境下，隔膜的熱收縮性導致隔膜在長度和寬度方向上發(fā)生變形，隔膜褶皺的區(qū)域由于正負極間的距離增大，致使極化增大；隔膜拉伸的區(qū)域由于隔膜變薄而使微短路的可能性加大；隔膜邊緣區(qū)域的收縮則可能導致正負極直接接觸而發(fā)生內短路，這些都會使電池因熱失控而發(fā)生危險。因此，在設計電池時，在隔膜的面積和寬度的使用上必須考慮其收縮特性，隔離膜要比陽極、陰極大。考慮在工藝誤差外，隔離膜必須比極片外邊長至少0.1mm。
c）絕緣處理
內短路是鋰離子電池存在安全性隱患的重要因素，在電芯的結構設計中存在很多引發(fā)內短路的潛在危險部位，因此應該在這些關鍵位置設置必要的措施或者絕緣，以防止在異常情況下發(fā)生電池內短路，比如：正負極耳間保持必要的間距；收尾單面中間無膏，位置需貼絕緣膠帶，并將部分全部包??；正極鋁箔和負極活性物質之間貼絕緣膠帶；應用絕緣膠帶將極耳焊接部分全部包??；電芯頂部采用絕緣膠帶等。
d）設置安全閥（泄壓裝置）
鋰離子電池發(fā)生危險，常常是因為內部溫度過高或壓力過大而引發(fā)爆炸、起火；設置合理的泄壓裝置，能在危險發(fā)生時迅速釋放電池內部的壓力和熱量，減少爆炸危險。合理的泄壓裝置要求既能滿足電池正常工作時的內壓又能在內壓達到危險極限的時候自動打開而泄放壓力，泄壓裝置的設置位置需要考慮電池外殼因內壓增大所產生形變的特性來設計；安全閥的設計可以通過薄片、邊緣、接縫和刻痕等來實現(xiàn)。
3提高工藝水平
努力做好電芯生產過程中的標準化和規(guī)范化。在混料、涂布、烘烤、壓實、分切和卷繞等步驟中，制定標準化（如隔膜寬度、電解液注液量等），改進工藝手段（如低氣壓注液法、離心裝殼法等），做好工藝控制，保證工藝質量，縮小產品間的差異；在對安全有影響到關鍵步驟設置特殊工步（如去極片毛刺、掃粉、對不同的材料采用不同的焊接方法等），實施標準化質量監(jiān)控，消除缺陷部位，排除有缺陷產品（如極片變形、隔膜刺破、活性材料脫落和電解液泄漏等）；保持生產場所的整潔、清潔，實施5S管理和6-sigma質量控制，防止生產中混入雜質和水分，盡量減少生產中的意外情況對安全性的影響。
16路5V10A鋰電池檢測分容均衡儀應用實例
鋰離子電池安全檢測指標
鋰離子電池生產出來后，在到達消費者手中之前，還需要進行一系列檢測，以盡量保證電池的安全性，降低安全隱患。
1、擠壓測試：將充滿電的電池放在一個平面上，由油壓缸施與13±1KN的擠壓力，由直徑為32mm的鋼棒平面擠壓電池，一旦擠壓壓力到達最大停止擠壓，電池不起火，不爆炸即可。
2、撞擊測試：電池充滿電后，放置在一個平面上，將直徑15.8mm的鋼柱垂直置于電池中心，將重量9.1kg的重物從610mm的高度自由落到電池上方的鋼柱上。電池不起火、不爆炸即可。
3、過充測試：將電池用1C充滿電，按照3C過充10V進行過充試驗，當電池過充時電壓上升到一定電壓時穩(wěn)定一段時間，接近一定時間時電池電壓快速上升，當上升至一定限度時，電池高帽拉斷，電壓跌至0V，電池沒有起火、爆炸即可。
4、短路測試：將電池充滿電后用電阻不大于50mΩ的導線將電池正負極短路，測試電池的表面溫度變化，電池表面最高溫度為140℃，電池蓋帽拉開，電池不起火、不爆炸。
5、針刺測試：將充滿電的電池放在一個平面上，用直徑3mm的鋼針沿徑向將電池刺穿。測試電池不起火、不爆炸即可。（據說已經取消）
6、溫度循環(huán)測試：鋰離子電池溫度循環(huán)試驗是用來模擬鋰離子電池在運輸或貯存過程中，反復暴露在低溫和高溫環(huán)境下，鋰離子電池的安全性，試驗是利用迅速和極端的溫度變化進行的。試驗后樣品應不起火、不爆炸、不漏液。
8路5V20A鋰電池檢測分容均衡儀應用實例
四種鋰電池安全性的比較
1）三元鋰電池
鎳鈷錳酸鋰（三元）電池
在實際可用的理論比能量上有極大的提高，相對于與鈷酸鋰電池而言，可以更好的發(fā)揮高容量作用，但從材料上看，三元電池采用鎳鈷錳酸鋰和有機電解液，暫未從根本上解決安全性問題，如果電池發(fā)生短路產生過大電流，從而引發(fā)安全隱患。
2）磷酸鐵鋰電池
理論容量是170mAh/g，做成材料的實際可達容量為160mAh/g。在安全性上，磷酸鐵鋰熱穩(wěn)定高，電解液氧化能力低，因而安全性高；但缺陷是電導率低，體積過大，電解液用量多，由于容量大，電池的一致性較差。
3）錳酸鋰電池
錳酸鋰電池的材料具有一定的有點，它可以保證在滿電狀態(tài)下，正極的鋰離子可以完全嵌入到負極炭孔中，而不是像鈷酸鋰那樣在正極有一定殘留，這就從根本上避免了枝晶的產生，理論上是這樣，實際上，錳酸鋰電池如果遭遇強大外力作用或者在制備過程中偷工減料都可能造成電池在充放電循環(huán)過程中瞬間形成鋰離子快速移動。在負極來不及完全接收鋰離子的情況下形成枝晶。避免這一后果要從電池出廠時的測試來保證?？傊?，檢測合格的錳酸鋰電池一般不會發(fā)生安全事故，錳酸鋰穩(wěn)固的結構使其氧化性能遠低于鈷酸鋰，即使外部短路，也基本能避免析出金屬鋰引發(fā)的燃燒和爆炸。
4）鈷酸鋰
鈷酸鋰電池主要用于制造手機和筆記本電腦及其它便攜式電子設備的鋰離子電池作正極材料。鈷酸鋰電池結構穩(wěn)定、比容量高、綜合性能突出、但是其安全性差、成本非常高，主要用于中小型號電芯，廣泛應用于筆記本電腦、手機、MP3/4等小型電子設備中，標稱電壓3.7V。
鈷酸鋰電池的優(yōu)點：
1、電化學性能優(yōu)越；
2、加工性能優(yōu)異；
3、振實密度大，有助于提高電池體積比容量；
4、產品性能穩(wěn)定，一致性好。
鈷酸鋰電池的缺點：
1、安全性差；
2、成本非常高；
3、循環(huán)壽命一般，材料穩(wěn)定性不太好。
12V-72V鋰電池整組充放電容量測試儀
切莫過充過放
對于新買的鋰離子電池的"激活"問題，眾多的說法是：充電時間一定要超過12小時，反復做三次，以便激活電池。這種"前三次充電要充12小時以上"的說法，明顯是從鎳電池（如鎳鎘和鎳氫）延續(xù)下來的說法。所以這種說法，可以說一開始就是誤傳。鋰電池和鎳電池的充放電特性有非常大的區(qū)別，而且可以非常明確的告訴大家，所有嚴肅的正式技術資料都強調過充和過放電會對鋰電池、特別是液體鋰離子電池造成巨大的傷害。因而充電最好按照標準時間和標準方法充電，特別是不要進行超過12個小時的超長充電。
那么鋰電池需要激活嗎？答案是肯定的，需要激活！但是，這個過程是由生產廠家完成的，與用戶無關，用戶也沒有能力完成。鋰電池真正的激活過程是這樣的：鋰離子電池殼灌輸電解液--封口--化成，就是恒壓充電，然后放電，如此進行幾個循環(huán)，使電極充分浸潤電解液充分活化，直至容量達到要求為止，這個就是激活過程--分容，也就是說出廠后鋰離子電池到用戶手上已經是激活過的了。另外，其中有些電池的激活過程需要電池處于開口狀態(tài)，激活以后再封口，除非您擁有了電芯生產設備，否則如何完成？
可是為什么有些產品的說明書上寫著，建議用戶前三次使用，要對手機進行完全的充放電呢？難道這不是激活嗎？其實事實是這樣的，在電池出廠，然后銷售，再到用戶的手中，會經歷一段時間，一個月或者幾個月，這樣一來，電池的電極材料就會"鈍化"，此時容量低于正常值，使用時間亦隨之縮短。但鋰電池很容易激活，只要經過3-5次正常的充放電循環(huán)就可激活電池，恢復正常容量。由于鋰電池本身的特性，決定了它幾乎沒有記憶效應。因此用戶新鋰電池在激活過程中，是不需要特別的方法和設備的。
1）長充、深充的危險
長充可能導致過充。鋰電池或充電器在電池充滿后都會自動停充，并不存在鎳電充電器所謂的持續(xù)10幾小時的"涓流"充電。也就是說，如果你的鋰電池在充滿后，放在充電器上也是白充。而我們誰都無法保證電池的充放電保護電路的特性永不變化和質量的萬無一失，所以你的電池將長期處在危險的邊緣徘徊。這也是我們反對長充電的另一個理由。
在對某些機器上，充電超過一定的時間后，如果不去取下充電器，這時系統(tǒng)不僅不停止充電，還將開始放電-充電循環(huán)。也許這種做法的廠商自有其目的，但顯然對電池的壽命而言是不利的。同時，長充電需要很長的時間，往往需要在夜間進行，而以我國電網的情況看，許多地方夜間的電壓都比較高，而且波動較大。鋰電池是很嬌貴的，它比鎳電在充放電方面耐波動的能力差得多，于是這又帶來附加的危險。
事實上，淺放淺充對于鋰電更有益處，只有在產品的電源模塊為鋰電做校準時，才有深放深充的必要。所以，使用鋰電供電的產品不必拘泥于過程，一切以方便為先，隨時充電。
2）過充、過放的危害
鋰離子電池的額定電壓，因為近年材料的變化，三元一般為3.7V，磷酸鐵鋰（以下稱磷鐵）正極的則為3.2V。充滿電時的終止充電電壓一般是4.2V，磷鐵3.65V。鋰離子電池的終止放電電壓為2.75V～3.0V(電池廠給出工作電壓范圍或給出終止放電電壓，各參數略有不同，一般為3.0V，磷鐵為2.5V)。低于2.5V（磷鐵2.0V）繼續(xù)放電稱為過放，低電壓的過放或自放電反應會導致鋰離子活性物質分解破壞，并不一定可以還原。而鋰離子電池任何形式的過充都會導致電池性能受到嚴重破壞，甚至爆炸。鋰離子電池在充電過程必需避免對電池產生過充。
隨著電子產品的普及和動力電池的發(fā)展，鋰離子電池應用更加廣泛。引起便攜式電池的安全問題主要在于規(guī)范使用，盡量避免過充和過放，以及摔打，而動力電池在追求容量高、壽命長、價格低等高性能的同時，正極材料和使用環(huán)境引起的安全問題就更多一些?？傊?，一方面需要科研工作者開發(fā)新材料和新技術，進一步完善鋰離子電池的安全技術，另一方面也需要消費者嚴格按照要求合理使用電子產品，以確保生命和財產的安全。
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