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    鋰電池電芯爆炸的原因有些?
    發表時間:2018-07-17     閱讀次數:     字體:【

    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,包含了電池

    組內部絕緣設計不良等所引起的短路。

    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,會與氧氣產生激烈的氧化反應而

    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,即使是電池外殼破裂,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避免爆炸。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。為了防止電池的正負極直接

    碰觸而短路,電池內會再加上一種擁有眾多細孔的隔膜紙,來防止短路。好的隔膜紙還可以在電池溫度

    過高時,自動關閉細孔,讓鋰離子無法穿越,以自廢武功,防止危險發生。

    保護措施

    鋰電池芯過充到電壓高于4.2V后,會開始產生副作用。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產生氣體,使得電池

    外殼或壓力閥鼓漲破裂,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。

    萬一電池外殼破裂,就會爆炸。

    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,除了鋰電池芯外,都會有一片保護板,這片保護板主要就是提供這三項保護。但是,保護板的

    這三項保護顯然是不夠的,全球鋰電池爆炸事件還是頻傳。要確保電池系統的安全性,必須對電池爆炸

    的原因,進行更仔細的分析。

    電池爆炸原因

    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,具體原因未知。

    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。

    爆炸類型分析

    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,包含了電池

    組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,電芯內部會產生高熱,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,會將細孔關閉,電化學反應終止或近

    乎終止,電流驟降,溫度也慢慢下降,進而避免了爆炸發生。但是,細孔關閉率太差,或是細孔根本不

    會關閉的隔膜紙,會讓電池溫度繼續升高,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。

    內部短路主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

    在生產過程造成,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,主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

    金屬發生激烈氧化,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、產生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產

    生的熱,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,與電池系統設計及電池組裝有較大關系。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。

    設計規范

    由于全球手機有數億只,要達到安全,安全防護的失敗率必須低于一億分之一。由于,電路板的故障率

    一般都遠高于一億分之一。因此,電池系統設計時,必須有兩道以上的安全防線。常見的錯誤設計是用

    充電器(adaptor)直接去充電池組。這樣將過充的防護重任,完全交給電池組上的保護板。雖然保護板的

    故障率不高,但是,即使故障率低到百萬分之一,機率上全球還是天天都會有爆炸事故發生。

    電池系統如能對過充、過放、過電流都分別提供兩道安全防護,每道防護的失敗率如果是萬分之一,兩

    道防護就可以將失敗率降到一億分之一。常見的電池充電系統方塊圖如下,包含充電器及電池組兩大部

    分。充電器又包含適配器(Adaptor)及充電控制器兩部分。適配器將交流電轉為直流電,充電控制器則限

    制直流電的最大電流及最高電壓。電池組包含保護板及電池芯兩大部分,以及一個PTC來限定最大電流。
    電芯以手機電池系統為例,過充防護系利用充電器輸出電壓設定在4.2V左右,來達到第一層防護,這樣

    就算電池組上的保護板失效,電池也不會被過充而發生危險。第二道防護是保護板上的過充防護功能,

    一般設定為4.3V。這樣,保護板平常不必負責切斷充電電流,只有當充電器電壓異常偏高時,才需要動

    作。過電流防護則是由保護板及限流片來負責,這也是兩道防護,防止過電流及外部短路。由于過放電

    只會發生在電子產品被使用的過程。因此,一般設計是由該電子產品的線路板來提供第一到防護,電池

    組上的保護板則提供第二道防護。當電子產品偵測到供電電壓低于3.0V時,應該自動關機。如果該產品

    設計時未設計這項功能,則保護板會在電壓低到2.4V時,關閉放電回路。

    總之,電池系統設計時,必須對過充、過放、與過電流分別提供兩道電子防護。其中保護板是第二道防

    護。把保護板拿掉后充電,如果電池會爆炸就代表設計不良。

    上述方法雖然提供了兩道防護,但是由于消費者在充電器壞掉后,常會買非原廠充電器來充電,而充電

    器業者,基于成本考慮,常將充電控制器拿掉,來降低成本。結果,劣幣驅逐良幣,市面上出現了許多

    劣質充電器。這使得過充防護失去了第一道也是最重要的一道防線。而過充又是造成電池爆炸的最重要

    因素,因此,劣質充電器可以稱得上是電池爆炸事件的元兇。

    當然,并非所有的電池系統都采用如上圖的方案。在有些情況下,電池組內也會有充電控制器的設計。

    例如:許多筆記型計算機的外加電池棒,就有充電控制器。這是因為筆記型計算機一般都將充電控制器

    做在計算機內,只給消費者一個適配器。因此,筆記型計算機的外加電池組,就必須有一個充電控制器

    ,才能確保外加電池組在使用適配器充電時的安全。另外,使用汽車點煙器充電的產品,有時也會將充

    電控制器做在電池組內。

    最后的防線

    如果電子的防護措施都失敗了,最后的一道防線,就要由電芯來提供了。電芯的安全層級,可依據電芯

    能否通過外部短路和過充來大略區分等級。由于,電池爆炸前,如果內部有鋰原子堆積在材料表面,爆

    炸威力會更大。而且,過充的防護常因消費者使用劣質充電器而只剩一道防線,因此,電芯抗過充能力

    比抗外部短路的能力更重要。

     
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