鋰電池為什么有安全性問題
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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），鋰離子在負極堆積形成枝晶，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，由于外部負載過低，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，溫度上升導致隔膜熔化，短路面積擴大，進而形成惡性循環(huán) | |
| ? ? 3、 氣體是哪里來的：鋰離子電池為達到單只電芯 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 的有機電解液，而采用有機電解液在大電流，高溫的條件下會被電解，電解產(chǎn)生氣體，導致內(nèi)部壓力升高，嚴重會沖破殼體 ? ? 4、 燃燒是如何發(fā)生的：熱量來源于大電流，同時在高電壓（超過 5V ）情況下，正極鋰的氧化物也會發(fā)生氧化反應，析出金屬鋰，在氣體導致殼體破裂的情況下，與空氣直接接觸，導致燃燒，同時引燃電解液，發(fā)生強烈火焰，氣體急速膨脹，發(fā)生爆炸。 ? ? 5、 聚合物電池是否會有安全性問題：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，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電解液，而且電解液為膠狀，不易泄漏，將會發(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，而是一個基于材料技術的本質(zhì)問題。
在材料技術上取得突破：
????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構方面（ LiCo ）的特點：充滿電后，仍舊有大量的鋰離子留在正極，當過充時，殘留在正極的鋰離子將會涌向負極，在負極上形成枝晶是采用鈷酸鋰材料的電池過充時必然的結果，甚至在正常充放電過程中，也有可能會有多余的鋰離子游離到負極形成枝晶。所以手機電池頻頻發(fā)生爆炸事件，一方面是由于保護電路失效，但更重要的是在材料方面并沒有根本的解決問題。同時鈷酸鋰的氧化性強，在 175 度時就會分解，殼體泄漏，與空氣接觸，發(fā)生燃燒、爆炸。
????2、 選擇錳酸鋰材料，在分子結構方面保證了在滿電狀態(tài)，正極的鋰離子已經(jīng)完全嵌入到負極炭孔中，從根本上避免了枝晶的產(chǎn)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 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，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。
????3、 選擇熱關閉性能好的隔膜，隔膜的作用是在隔離電池正負極的同時，允許鋰離子的通過。當溫度升高時，在隔膜熔化前進行關閉，從而使內(nèi)阻上升至 2000 歐姆，讓內(nèi)部反應停止下來。
????4、 防爆閥：當內(nèi)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(nèi)部氣體積累過多，發(fā)生形變，最終導致殼體爆裂。
????5、 保護電路：通常保護電路需起到防止過充電，過放電，超大電流的作用。主要原理是通過測量每一只電芯的電壓和總電流，控制開關電路進行整個回路的關斷，在電路的設計上并沒有過高的難度。但保護電路的設計是否合理，可靠性是否足夠高，是考驗生產(chǎn)廠商的能力。保護電路是基于大約數(shù)十個個電阻、電容，開關 MOS 管等電子元器件組成的 PCB 電路，各個元器件都存在失效的可能性。失效的保護電路會出現(xiàn)開路或?qū)▋煞N狀態(tài)，當開路時會導致用戶不能使用電池組，而導通的狀態(tài)將會考驗電芯抗過充的能力。
? 三、 用什么樣的標準考察大容量鋰電池的安全性
????1、 過充試驗
????利用恒定電流持續(xù)給電芯充電，設定固定電壓上限。電芯內(nèi)部在負極上產(chǎn)生鋰離子枝晶，刺穿隔膜是通過該試驗最大的威脅。
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前提 |
環(huán)境溫度 |
充電電流 |
試驗過程 |
時間要求 |
結果要求 | |
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軍工 |
按標準充滿電后 |
20 ℃ ± 5 ℃ |
0.2C 5A |
直至保護電路起作用 |
無 |
不爆炸、不燃燒 |
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輕工標準 QB/T25022000 |
完全放電態(tài)的電池 |
20℃ ± 5℃ |
0.2C 5A |
可讓保護電路起作用 |
12.5h |
不爆炸、不燃燒 |
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04 科技部 863 電動車蓄電池 |
按標準充滿電，放 1 小時后 |
20℃ ± 5℃ |
1C 1(A) |
電壓達到 5.0V |
或充電 90min |
不爆炸、不燃燒 |
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國家標準 GB/T 18287-2000 |
按標準充滿電后 |
20℃ ± 5℃ |
3C 5 A |
上限電壓 10V ， |
溫度下降峰值 10 ℃ 后結束實驗 |
不爆炸、不燃燒 |
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UL 標準 |
按標準充滿電后 |
20℃ ± 5℃ |
以 對應電流和時間進行。 注： C 為標稱容量， I C 為測試電流 |
測試時間不得少于 48h |
不爆炸、不燃燒 | |
注：UL(Underwriters Laboratories)是一家產(chǎn)品安全測試和認證機構，對消費者來說UL就是安全標志的象征。全球，UL是制造廠商最值得信賴的合格評估提供者之一。（摘自UL實驗室中文網(wǎng)站）
????2、 短路試驗
????用小電阻的導線直接連接正負極，使電池形成超大電流回路，電池內(nèi)部快速升溫
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前提 |
環(huán)境溫度 |
短路方法 |
外部電阻 |
時間 |
結果要求 | |
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軍標 |
按標準充滿電后的電池組 |
20 ℃ ± 5 ℃ |
用導線連接正負極 |
≤ 50m Ω |
直至保護電路起作用 |
不爆炸、不燃燒、可正常充放電 |
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輕工標準 QB/T2502-2000 |
按標準充滿電后 |
20℃ ± 5℃ |
用導線連接正負極 |
≤ 50m Ω |
6h 以上 |
不爆炸、不燃燒 |
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2004 科技部 863 電動車蓄電池 |
按標準充滿電 1 小時后 |
20℃ ± 5℃ |
用導線連接正負極 |
≤ 10m Ω |
10min |
不漏液、不爆炸或燃燒 |
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國家標準 GB/T 18287-2000 |
按標準充滿電后 |
20℃ ± 5℃ |
用導線連接正負極 |
≤ 50m Ω |
溫度下降峰值 10 ℃ 后結束實驗 |
不爆炸、不燃燒，外部溫度不得高于 150℃ |
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UL 標準 |
按標準充滿電后 |
60℃ ± 2℃ 20℃ ± 5℃ |
用導線連接正負極 |
0.1 Ω |
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
????用鐵針垂直穿透電池，持續(xù)形成內(nèi)部短路
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前提 |
環(huán)境溫度 |
鋼釘 |
試驗過程 |
時間要求 |
結果要求 | |
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軍工 |
按標準充滿電后 |
20℃ ± 5℃ |
φ 3mm |
沿徑向強力刺穿 |
無規(guī)定 |
不爆炸、不燃燒 |
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輕工標準 QB/T2502-2000 |
按標準充滿電后 |
20 ℃ ± 5 ℃ |
2.5 ～ 5mm |
中央與電極面垂直的方向穿透 |
放置 6 小時以上 |
不爆炸、不燃燒 |
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2004 科技部 863 電動車蓄電池 |
按標準充滿電后 |
20℃ ± 5℃ |
φ 3 ～ 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 |
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UL 標準 |
按標準充滿電后 |
20℃ ± 5℃ |
在電池的正面與側面，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， 以標準規(guī)定的速度升溫 ，持續(xù)的高溫導致內(nèi)部隔膜熔化，形成大面積內(nèi)部短路
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前提 |
升溫速率 |
上限溫度 |
時間要求 |
結果要求 | |
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軍工 |
按標準充滿電后 |
電池組在溫度（ -40 ℃ ± ２ ℃ ）與（ 70 ℃ ± ２ ℃ ）之間循環(huán) 4 次 , 并在各個溫度環(huán)境中恒溫 2 小時，溫度交替移動的時間不大于 1min ，然后在 25℃ 下保持 2 小時 |
不變形、不開裂、不漏液、可正常充放電 | ||
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輕工標準 QB/T2502-2000 |
按標準充滿電后 |
5 ℃ ± 1 ℃ |
130 ℃ |
60 min |
不爆炸、不燃燒 |
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2004 科技部 863 電動車蓄電池 |
按標準充滿電后 |
5 ± 2 ℃ |
70 ± 2 ℃ |
20min |
不漏液、不變形、不爆炸或燃燒 |
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國家標準 GB/T 18287-2000 |
按標準充滿電后 |
5℃ ± 2℃ |
150 ℃ ± 2℃ |
30 min |
不爆炸、不燃燒 |
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UL 標準 |
按標準充滿電后 |
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、 委托權威部門進行安全性的檢測，進行現(xiàn)場考驗
????3、 開展長時間、大量的安全測試，以檢測保護電路、電芯的可靠性
????4、 選擇有實力的供應商為合作伙伴