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【干货】电池鼓壳和爆炸的原因分析

导读: 电池芯爆炸的类形可归纳为外部短路、内部短路、及过充三种。此处的外部系指电芯的外部,包含了电池组内部绝缘设计不良等所引起的短路。

关于电池鼓壳和爆炸的原因分析:

一、锂离子电池特性

锂是化学周期表上直径最小也最活泼的金属。体积小所以容量密度高,广受消费者与工程师欢迎。但是,化学特性太活泼,则带来了极高的危险性。锂金属暴露在空气中时,会与氧气产生激烈的氧化反应而爆炸。为了提升安全性及电压,科学家们发明了用石墨及钴酸锂等材料来储存锂原子。这些材料的分子结构,形成了奈米等级的细小储存格子,可用来储存锂原子。这样一来,即使是电池外壳破裂,氧气进入,也会因氧分子太大,进不了这些细小的储存格,使得锂原子不会与氧气接触而避免爆炸。锂离子电池的这种原理,使得人们在获得它高容量密度的同时,也达到安全的目的。

锂离子电池充电时,正极的锂原子会丧失电子,氧化为锂离子。锂离子经由电解液游到负极去,进入负极的储存格,并获得一个电子,还原为锂原子。放电时,整个程序倒过来。为了防止电池的正负极直接碰触而短路,电池内会再加上一种拥有众多细孔的隔膜纸,来防止短路。好的隔膜纸还可以在电池温度过高时,自动关闭细孔,让锂离子无法穿越,以自废武功,防止危险发生。

保护措施

锂电池芯过充到电压高于4.2V后,会开始产生副作用。过充电压愈高,危险性也跟着愈高。锂电芯电压高于4.2V后,正极材料内剩下的锂原子数量不到一半,此时储存格常会垮掉,让电池容量产生永久性的下降。如果继续充电,由于负极的储存格已经装满了锂原子,后续的锂金属会堆积于负极材料表面。这些锂原子会由负极表面往锂离子来的方向长出树枝状结晶。这些锂金属结晶会穿过隔膜纸,使正负极短路。有时在短路发生前电池就先爆炸,这是因为在过充过程,电解液等材料会裂解产生气体,使得电池外壳或压力阀鼓涨破裂,让氧气进去与堆积在负极表面的锂原子反应,进而爆炸。因此,锂电池充电时,一定要设定电压上限,才可以同时兼顾到电池的寿命、容量、和安全性。最理想的充电电压上限为4.2V。

锂电芯放电时也要有电压下限。当电芯电压低于2.4V时,部分材料会开始被破坏。又由于电池会自放电,放愈久电压会愈低,因此,放电时最好不要放到2.4V才停止。锂电池从3.0V放电到2.4V这段期间,所释放的能量只占电池容量的3%左右。因此,3.0V是一个理想的放电截止电压。

充放电时,除了电压的限制,电流的限制也有其必要。电流过大时,锂离子来不及进入储存格,会聚集于材料表面。这些锂离子获得电子后,会在材料表面产生锂原子结晶,这与过充一样,会造成危险性。万一电池外壳破裂,就会爆炸。

因此,对锂离子电池的保护,至少要包含:充电电压上限、放电电压下限、及电流上限三项。一般锂电池组内,除了锂电池芯外,都会有一片保护板,这片保护板主要就是提供这三项保护。但是,保护板的这三项保护显然是不够的,全球锂电池爆炸事件还是频传。要确保电池系统的安全性,必须对电池爆炸的原因,进行更仔细的分析。

二、电池爆炸原因:

1:内部极化较大!

2:极片吸水,与电解液发生反应气鼓

3:电解液本身的质量,性能问题

4:注液时候注液量达不到工艺要求

5:装配制程中激光焊焊接密封性能差,漏气、测漏气漏测

6:粉尘,极片粉尘首先易导致微短路,具体原因未知

7:正负极片较工艺范围偏厚,入壳难

8:注液封口问题,钢珠密封性能不好导致气鼓

9:壳体来料存在壳壁偏厚,壳体变形影响厚度

三、爆炸类型分析

电池芯爆炸的类形可归纳为外部短路、内部短路、及过充三种。此处的外部系指电芯的外部,包含了电池组内部绝缘设计不良等所引起的短路。

当电芯外部发生短路,电子组件又未能切断回路时,电芯内部会产生高热,造成部分电解液汽化,将电池外壳撑大。当电池内部温度高到135摄氏度时,质量好的隔膜纸,会将细孔关闭,电化学反应终止或近乎终止,电流骤降,温度也慢慢下降,进而避免了爆炸发生。但是,细孔关闭率太差,或是细孔根本不会关闭的隔膜纸,会让电池温度继续升高,更多的电解液汽化,最后将电池外壳撑破,甚至将电池温度提高到使材料燃烧并爆炸。

内部短路主要是因为铜箔与铝箔的毛刺穿破隔膜,或是锂原子的树枝状结晶穿破膈膜所造成。这些细小的针状金属,会造成微短路。由于,针很细有一定的电阻值,因此,电流不见得会很大。铜铝箔毛刺系在生产过程造成,可观察到的现象是电池漏电太快,多数可被电芯厂或是组装厂筛检出来。而且,由于毛刺细小,有时会被烧断,使得电池又恢复正常。因此,因毛刺微短路引发爆炸的机率不高。

这样的说法,可以从各电芯厂内部都常有充电后不久,电压就偏低的不良电池,但是却鲜少发生爆炸事件,得到统计上的支持。因此,内部短路引发的爆炸,主要还是因为过充造成的。因为,过充后极片上到处都是针状锂金属结晶,刺穿点到处都是,到处都在发生微短路。因此,电池温度会逐渐升高,最后高温将电解液气体。这种情形,不论是温度过高使材料燃烧爆炸,还是外壳先被撑破,使空气进去与锂金属发生激烈氧化,都是爆炸收场。

但是过充引发内部短路造成的这种爆炸,并不一定发生在充电的当时。有可能电池温度还未高到让材料燃烧、产生的气体也未足以撑破电池外壳时,消费者就终止充电,带手机出门。这时众多的微短路所产生的热,慢慢的将电池温度提高,经过一段时间后,才发生爆炸。消费者共同的描述都是拿起手机时发现手机很烫,扔掉后就爆炸。

综合以上爆炸的类型,我们可以将防爆重点放在过充的防止、外部短路的防止、及提升电芯安全性三方面。其中过充防止及外部短路防止属于电子防护,与电池系统设计及电池组装有较大关系。电芯安全性提升之重点为化学与机械防护,与电池芯制造厂有较大关系。

四、设计规范

由于全球手机有数亿只,要达到安全,安全防护的失败率必须低于一亿分之一。由于,电路板的故障率一般都远高于一亿分之一。因此,电池系统设计时,必须有两道以上的安全防线。常见的错误设计是用充电器(adaptor)直接去充电池组。这样将过充的防护重任,完全交给电池组上的保护板。虽然保护板的故障率不高,但是,即使故障率低到百万分之一,机率上全球还是天天都会有爆炸事故发生。

电池系统如能对过充、过放、过电流都分别提供两道安全防护,每道防护的失败率如果是万分之一,两道防护就可以将失败率降到一亿分之一。常见的电池充电系统方块图如下,包含充电器及电池组两大部分。充电器又包含适配器(Adaptor)及充电控制器两部分。适配器将交流电转为直流电,充电控制器则限制直流电的最大电流及最高电压。电池组包含保护板及电池芯两大部分,以及一个PTC来限定最大电流。

文字方块:适配器交流变直流文字方块:充电控制器限流限压文字方块:充电器文字方块:保护板过充、过放过流等防护文字方块:电池组文字方块:限流片文字方块:电池芯以手机电池系统为例,过充防护系利用充电器输出电压设定在4.2V左右,来达到第一层防护,这样就算电池组上的保护板失效,电池也不会被过充而发生危险。第二道防护是保护板上的过充防护功能,一般设定为4.3V。这样,保护板平常不必负责切断充电电流,只有当充电器电压异常偏高时,才需要动作。过电流防护则是由保护板及限流片来负责,这也是两道防护,防止过电流及外部短路。由于过放电只会发生在电子产品被使用的过程。因此,一般设计是由该电子产品的线路板来提供第一到防护,电池组上的保护板则提供第二道防护。当电子产品侦测到供电电压低于3.0V时,应该自动关机。如果该产品设计时未设计这项功能,则保护板会在电压低到2.4V时,关闭放电回路。

总之,电池系统设计时,必须对过充、过放、与过电流分别提供两道电子防护。其中保护板是第二道防护。把保护板拿掉后充电,如果电池会爆炸就代表设计不良。

上述方法虽然提供了两道防护,但是由于消费者在充电器坏掉后,常会买非原厂充电器来充电,而充电器业者,基于成本考虑,常将充电控制器拿掉,来降低成本。结果,劣币驱逐良币,市面上出现了许多劣质充电器。这使得过充防护失去了第一道也是最重要的一道防线。而过充又是造成电池爆炸的最重要因素,因此,劣质充电器可以称得上是电池爆炸事件的元凶。

当然,并非所有的电池系统都采用如上图的方案。在有些情况下,电池组内也会有充电控制器的设计。例如:许多笔记型计算机的外加电池棒,就有充电控制器。这是因为笔记型计算机一般都将充电控制器做在计算机内,只给消费者一个适配器。因此,笔记型计算机的外加电池组,就必须有一个充电控制器,才能确保外加电池组在使用适配器充电时的安全。另外,使用汽车点烟器充电的产品,有时也会将充电控制器做在电池组内。

最后的防线

如果电子的防护措施都失败了,最后的一道防线,就要由电芯来提供了。电芯的安全层级,可依据电芯能否通过外部短路和过充来大略区分等级。由于,电池爆炸前,如果内部有锂原子堆积在材料表面,爆炸威力会更大。而且,过充的防护常因消费者使用劣质充电器而只剩一道防线,因此,电芯抗过充能力比抗外部短路的能力更重要。

铝壳电芯与钢壳电芯安全性比较铝壳相对于钢壳具有很高的安全优势。

文章内容转摘自微信公众号:好电科技

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