鉅大LARGE | 點擊量：763次 | 2021年12月06日
鋰離子電池發鼓脹氣和爆炸原由分解
一、鋰離子電池特性
鋰是化學周期表上直徑最小也最活潑的金屬。體積小所以容量密度高，廣受消費者與工程師歡迎。但是，化學特性太活潑，則帶來了極高的危險性。鋰金屬暴露在空氣中時，會與氧氣出現猛烈的氧化反應而爆炸。為了提升安全性及電壓，科學家們發明了用石墨及鈷酸鋰等材料來儲存鋰原子。這些材料的分子結構，形成了奈米等級的細小儲存格子，可用來儲存鋰原子。這樣一來，即使是電池外殼破碎，氧氣進入，也會因氧分子太大，進不了這些細小的儲存格，使得鋰原子不會與氧氣接觸而戒備爆炸。
鋰離子電池的這種原理，使得人們在獲得它高容量密度的同時，也達到安全的目的。鋰離子電池充電時，正極的鋰原子會喪失電子，氧化為鋰離子。鋰離子經由電解液游到負極去，進入負極的儲存格，并獲得一個電子，還原為鋰原子。放電時，整個程序倒過來。為了戒備電池的正負極筆直碰觸而短路，電池內會再加上一種擁有眾多細孔的隔膜紙，來戒備短路。好的隔膜紙還可以在電池溫度過高時，自動封閉細孔，讓鋰離子無法穿越，以自廢武功，戒備危險發生。
保護措施：鋰離子電池電芯過充到電壓高于4.2V后，會開始出現副用途。過充電壓愈高，危險性也跟著愈高。鋰電芯電壓高于4.2V后，正極材料內剩下的鋰原子數量不到一半，此時儲存格常會垮掉，讓電池容量出現永久性的下降。倘若持續充電，由于負極的儲存格已經裝滿了鋰原子，后續的鋰金屬會堆積于負極材料表面。這些鋰原子會由負極表面往鋰離子來的方向長出樹枝狀結晶。這些鋰金屬結晶會穿過隔膜紙，使正負極短路。有時在短路發生前電池就先爆炸，這是因為在過充過程，電解液等材料會裂解出現氣體，使得電池外殼或壓力閥鼓漲破碎，讓氧氣進去與堆積在負極表面的鋰原子反應，進而爆炸。
因此，鋰離子電池充電時，一定要設定電壓上限，才可以同時兼顧到電池的壽命、容量、和安全性。最理想的充電電壓上限為4.2V。鋰電芯放電時也要有電壓下限。當電芯電壓低于2.4V時，部分材料會開始被破壞。又由于電池會自放電，放愈久電壓會愈低，因此，放電時最好不要放到2.4V才停止。鋰離子電池從3.0V放電到2.4V這段期間，所釋放的能量只占電池容量的3%左右。因此，3.0V是一個理想的放電截止電壓。充放電時，除了電壓的限制，電流的限制也有其必要。電流過大時，鋰離子來不及進入儲存格，會集中于材料表面。這些鋰離子獲得電子后，會在材料表面出現鋰原子結晶，這與過充相同，會造成危險性。萬一電池外殼破碎，就會爆炸。
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%
因此，對鋰離子電池的保護，至少要蘊含：充電電壓上限、放電電壓下限、及電流上限三項。一般鋰離子電池包內，除了鋰離子電池芯外，都會有一片保護板，這片保護板緊要就是供應這三項保護。但是，保護板的這三項保護顯然是不夠的，全球鋰離子電池爆炸事件還是頻傳。
要確保電池系統的安全性，非得對電池爆炸的原由，進行更仔細的分解。
二、電池爆炸原由：
1、內部極化較大；
2、極片吸水,與電解液發生反應氣鼓；
3、電解液本身的質量,性能問題；
4、注液時候注液量達不到工藝要求；
5、裝配制程中激光焊焊接密封性能差,漏氣.測漏氣漏測；
6、粉塵,極片粉塵首先易導致微短路,詳盡原由未知；
7、正負極片較工藝范圍偏厚,入殼難；
8、注液封口問題,鋼珠密封性能不好導致氣鼓；
9、殼體來料存在殼壁偏厚,殼體變形影響厚度；
三、爆炸類型分解
電池芯爆炸的類形可歸納為外部短路、內部短路、及過充三種。
此處的外部系指電芯的外部，蘊含了電池包內部絕緣設計不良等所引起的短路。當電芯外部發生短路，電子組件又未能切斷回路時，電芯內部會出現高熱，造成部分電解液汽化，將電池外殼撐大。當電池內部溫度高到135攝氏度時，質量好的隔膜紙，會將細孔封閉，電化學反應終止或近乎終止，電流驟降，溫度也慢慢下降，進而戒備了爆炸發生。但是，細孔封閉率太差，或是細孔根本不會封閉的隔膜紙，會讓電池溫度持續升高，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材料燃燒并爆炸。
內部短路緊要是因為銅箔與鋁箔的毛刺穿破隔膜，或是鋰原子的樹枝狀結晶穿破膈膜所造成。這些細小的針狀金屬，會造成微短路。由于，針很細有一定的電阻值，因此，電流不見得會很大。銅鋁箔毛刺系在加工過程造成，可觀察到的現象是電池漏電太快，多數可被電芯廠或是組裝廠篩檢出來。而且，由于毛刺細小，有時會被燒斷，使得電池又恢復正常。因此，因毛刺微短路引發爆炸的機率不高。這樣的說法，可以從各電芯廠內部都常有充電后不久，電壓就偏低的不良電池，但是卻鮮少發生爆炸事件，得到統計上的支持。因此，內部短路引發的爆炸，緊要還是因為過充造成的。因為，過充后極片上到處都是針狀鋰金屬結晶，刺穿點到處都是，到處都在發生微短路。因此，電池溫度會逐漸升高，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，使空氣進去與鋰金屬發生猛烈氧化，都是爆炸收場。
但是過充引發內部短路造成的這種爆炸，并不一定發生在充電的當時。有可能電池溫度還未高到讓材料燃燒、出現的氣體也未足以撐破電池外殼時，消費者就終止充電，帶手機出門。這時眾多的微短路所出現的熱，慢慢的將電池溫度提高，經過一段時間后，才發生爆炸。消費者共同的描述都是拿起手機時發現手機很燙，扔掉后就爆炸。
綜合以上爆炸的類型，我們可以將防爆重點放在過充的戒備、外部短路的戒備、及提升電芯安全性三方面。其中過充戒備及外部短路戒備屬于電子防護，與電池系統設計及電池包裝有較大關系。電芯安全性提升之重點為化學與機械防護，與電池芯制造廠有較大關系。
