鉅大LARGE | 點擊量：800次 | 2019年03月15日
鋰離子電池安全性分析與預防方法
一、鋰離子電池的結構與工作原理
所謂鋰離子電池是由兩個可嵌入與可脫嵌鋰離子的材料作為電池的正極與負極，實現可多次充放電功能的二次電池。鋰離子電池是依靠鋰離子在正負極之間的轉移來完成電池充放電工作。
鋰離子電池工作原理鋰電池充放電過程
當電池充電時，鋰離子脫離正極嵌入到負極中，放電時方向正好相反。這樣就需要正極在制作前就處于嵌鋰狀態，常規會選用相對鋰而言電位大于3V且在空氣中穩定的鋰化合物，如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiFePO4、LiNi4Co4Mn2等化合物。
負極材料常規會選擇電位盡可能接近鋰電位的可嵌入鋰離子的物質，如石墨、碳纖維、石墨烯、鈦酸鋰等。
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%
電解質常規采用LiPF6的乙烯碳酸脂（EC）、丙烯碳酸脂（PC）和低粘度二乙基碳酸脂（DEC）等烷基碳酸脂搭配的混合溶劑體系。
隔膜采用聚烯微多孔膜如PE、PP或它們復合膜，尤其是PP/PE/PP三層隔膜不僅熔點較低，而且具有較高的抗穿刺強度，起到了熱保險作用。
外殼采用鋼或鋁材料，正極蓋體組件具有防爆斷電的安全保護功能。
鋰離子電池結構示意圖
相對于其他類型的電池產品，鋰電池具有重量輕、容量大、無記憶效應等優點，在數碼設備、小型電動工具及大型儲能設備及新能源動力電池都采用鋰離子電池作儲能裝置，鋰離子電池的能量密度高，容量是同重量的鎳氫電池的1.5~2倍，而且具有很低的自放電率；此外，鋰離子電池幾乎沒有“記憶效應”及不含有毒物質。
二、鋰電池設計時所采取的基本安全措施
根據鋰電池材料體系的不同，鋰電池充電時電壓高于鋰電池的極限電壓后，便開始產生副作用，過充電壓越高，危險性也跟著越高。鋰電芯電壓高于極限電壓后，正極材料內剩下的鋰離子數量不到一半，此時儲存格會垮掉，讓電池容量產生永久性的下降。如果繼續充電，由于負極的儲存格已經裝滿了鋰離子，后續的鋰離子會堆積于負極材料表面長出枝狀結晶，這些鋰結晶會刺穿隔膜，使正負極短路。有時在短路發生前電池就可能已經爆炸，這是因為在過充過程，電解液等材料會裂解產生氣體，使電池外殼或壓力閥鼓漲破裂，空氣中的氧氣與堆積在負極表面的鋰原子發生反應爆炸。因此，鋰電池充電時，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。
鋰電芯放電時也要有電壓下限，當電芯電壓低于極限電壓時，部分材料會開始被破壞。同時因為鋰電池本身會自放電，放置時間越久電壓會越低。因此在設計鋰電池時，放電截至電壓的設定會充分考慮這些因素，鋰電池從截止放電電壓到安全電壓這段期間，所釋放的能量只占電池容量的3%-5%左右。
充放電時，除了電壓的限制，電流的限制也非常必要。電流過大時，鋰離子來不及進入儲存格，會聚集于材料表面。這些鋰離子獲得電子后，會在材料表面產生鋰原子結晶，這與過充一樣，會造成危險性。
因此，對鋰離子電池的保護，至少要包含：充電電壓上限、放電電壓下限、及電流上限三項。一般鋰電池組內，除了鋰電芯外，都會有一片保護板或者功能豐富的BMS電池管理系統。
三、電池可能的爆炸原因分析
鋰電芯爆炸的原因可能是外部短路、內部短路及過充，包含電池組內部絕緣設計不良等所引起的短路。
因此，對鋰離子電池的保護，至少要包含：充電電壓上限、放電電壓下限、及電流上限三項。一般鋰電池組內，除了鋰電芯外，都會有一片保護板或者功能豐富的BMS電池管理系統。
內部短路主要是因為分切不良的銅箔與鋁箔的毛刺刺穿隔膜，或是由于過充原因形成的鋰枝狀結晶刺穿膈膜所造成。細小極片毛刺會造成微短路，因為毛刺很細有一定的電阻值，因此，電流不見得會很大。
銅、鋁箔毛刺是在生產過程中因為分切不良造成，可檢測到的現象是電芯自放電太快，大多數情況下可以在后端篩選時檢測出來。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并不高。
二次元影像儀
力朗電池（PLB）通過在線檢測設備“二次元影像觀測儀“可有效檢測極片毛刺情況，二次元影像儀能將圖像放大500倍，能清晰判斷毛刺情況。
內部短路引發的爆炸，主要還是因為過充原因造成。因為，過充后極片上到處都是鋰枝結晶，刺穿點到處都是，到處都發生微短路。因此，電池溫度會逐漸升高，最后高溫將電解液氣化。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激烈氧化，都會爆炸。
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，屬于電池組系統設計及電池組裝有較大關系；電芯安全性的提升重點是化學與結構設計防護，與電池芯的設計與制造過程品質控制有較大關系。
四、設計規范涉及的幾個方面
電池保護板或BMS電池管理系統硬件冗余設計，預防電子元器件失效而引起的整個保護系統失效。電池管理系統如能對過充、過放、過流都分別提供兩道安全防護，此外為了提升BMS系統的可靠性，力朗電池的BMS產品須經過高溫老化處理，提供ESD、浪涌防護及防潮防塵這些基本功能。
在電動汽車電池系統中，BMS電池管理系統不擔要提過過充、過放、過流保護功能，還要對龐大的電池系統的運行狀態進行監控與管理。為了保證電池工作在相同的溫度環境下，BMS還要監控所有電芯的工作溫度，具備熱平衡功能，高效水冷電池模組可將電池工作溫度有效控制在25±2℃。此外為了提升車輛電池安全性，BMS集成落水監測、煙霧監測、碰撞監測、翻車監測、遠程報警及自動滅火等安全功能。
鋰電芯在生產制造時會嚴格控制正極、負極、隔膜、電解液等主要原材料的品質，從電芯結構設計到電芯生產制造整個過程，都須經過嚴格的品質控制與在線檢測監控程序，來保證鋰電芯的高品質，通過嚴格的后端篩選與批次的破壞性檢驗，來保證每一顆出廠電芯的品質都符合品質要求，保證在過充、過放、過流、振動、機械沖擊、跌落、擠壓、翻轉、碰撞、刺穿等情況下符合品質標準要求。
總之，電池系統設計時，必須對過充、過放與過流分別提供兩道電子防護。其中保護板或BMS電池管理系統是第二道防護,如果沒有外部保護的情況，電池發生爆炸就代表設計不良。
五、鋰電芯的品質成為關鍵
如果外部保護失敗，對鋰電芯品質提出更高的要求。電池如果在爆炸前，內部有鋰原子堆積在材料表面，燃燒爆炸的威力會更大。所以鋰電芯抗過充能力比抗外部短路的能力顯得更為重要。
電芯抗外部短路的方法，通常包括使用高質量的隔膜紙和采用壓力閥兩種措施。其中高質量的隔膜效果最好，外部短路時超過百分之九十九的電池不會發生爆炸。力朗電池所生產的鋰電芯，每批次須經過過充、過放、過流等檢測試驗，因為備有先進的設計理念及高度自動化的生產制造能力，力朗電池的品質檢測合格率目前達到100%。
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