鋰系電池是近20年來發(fā)展最快的電池體系，目前被廣泛用于電子產(chǎn)品。而近來發(fā)生的手機、筆記本電腦爆炸本質(zhì)上就是電池爆炸。手機和筆記本電池到底是什么樣的，如何工作，為什么會發(fā)生爆炸，如何避免爆炸。

 

鋰電池芯過充到電壓高于 4.2V 后，會開始產(chǎn)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(nèi)剩下的鋰原子數(shù)量不到一半，此時儲存格常會垮掉， 讓電池容量產(chǎn)生永久性的下降。 如果繼續(xù)充電，由于負(fù)極的儲存格已經(jīng)裝滿了鋰原子，后續(xù)的鋰金屬會堆積于負(fù)極材料表面。這些鋰原子會由負(fù)極表面往鋰離子來的方向長出樹枝狀結(jié)晶。這些鋰金屬結(jié)晶會穿過隔膜紙，使正負(fù)極短路。有時在短路發(fā)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(chǎn)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(fù)極表面的鋰原子反應(yīng)，進而爆炸。

 

因此，鋰電池充電時，一定要設(shè)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(dāng)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(chǎn)生鋰原子結(jié)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(nèi)，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(tǒng)的安全性，必須對電池爆炸的原因， 進行更仔細(xì)的分析。

 

爆炸原因：

 

1、內(nèi)部極化較大；

 

2、極片吸水，與電解液發(fā)生反應(yīng)氣鼓；

 

3、電解液本身的質(zhì)量、性能問題；

 

4、注液時候注液量達(dá)不到工藝要求；

 

5、裝配制程中激光焊接密封性能差，測漏氣時漏氣；

 

6、粉塵、極片粉塵首先易導(dǎo)致微短路；

 

7、正負(fù)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(dǎo)致氣鼓；

 

9、殼體來料存在殼壁偏厚，殼體變形影響厚度；

 

10、外面環(huán)境溫度過高也是導(dǎo)致爆炸的主要原因。

 

　　

 

爆炸類型

 

爆炸類型分析電池芯爆炸的類形可歸納為外部短路、內(nèi)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(nèi)部絕緣設(shè)計不良等所引起的短路。 當(dāng)電芯外部發(fā)生短路，電子組件又未能切斷回路時，電芯內(nèi)部會產(chǎn)生高熱，造成部分電解液汽化，將電池外殼撐大。當(dāng)電池內(nèi)部溫度高到135 攝氏度時，質(zhì)量好的隔膜紙，會將細(xì)孔關(guān)閉，電化學(xué)反應(yīng)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(fā)生。但是，細(xì)孔關(guān)閉率太差，或是細(xì)孔根本不會關(guān)閉的隔膜紙，會讓電池溫度繼續(xù)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 料燃燒并爆炸。內(nèi)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(jié)晶穿破膈膜所造成。

 

這些細(xì)小的針狀金屬，會造成微短路。由于針很細(xì)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(chǎn)過程造成，可觀察到的現(xiàn)象是電池漏電太快，多數(shù)可被電芯廠或是組裝廠篩檢出來。而且由于毛刺細(xì)小，有時會被燒斷，使得電池又恢復(fù)正常。因此，因毛刺微短路引發(fā)爆炸的機率不高。這樣的說法，可以從各電芯廠內(nèi)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(fā)生爆炸事件，得到統(tǒng)計上的支持。因此，內(nèi)部短路引發(fā)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(jié)晶，刺穿點到處都是，到處都在發(fā)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(fā)生激烈氧化，都是爆炸收場。

 

但是過充引發(fā)內(nèi)部短路造成的這種爆炸，并不一定發(fā)生在充電的當(dāng)時。有可能電池溫度還未高到讓材料燃燒、產(chǎn)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(chǎn)生的熱，慢慢的將電池溫度提高，經(jīng)過一段時間后，才發(fā)生爆炸。消費者共同的描述都是拿起手機時發(fā)現(xiàn)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(tǒng)設(shè)計及電池組裝有較大關(guān)系。電芯安全性提升 之重點為化學(xué)與機械防護，與電池芯制造廠有較大關(guān)系。

 

　　

 

安全隱患

 

鋰離子電池的安全性問題，不僅與池材料本身性質(zhì)有關(guān)，而且與電池制備技術(shù)和使用有關(guān)。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，但更重要的是在于材料方面并沒有根本的解決問題。

 

鈷酸鋰正極活性材料在小電芯方面是很成熟的體系，但是充滿電后，仍舊有大量的鋰離子留在正極，當(dāng)過充時，殘留在正極的鋰離子將會涌向負(fù)極，在負(fù)極上形成枝晶是采用鈷酸鋰材料的電池過充時必然的結(jié)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(fù)極形成枝晶，鈷酸鋰材料的理論比能量是超過每克270毫安時的，但為保證其循環(huán)性能，實際使用容量只有理論容量的一半。在使用過程中，由于某種原因（如管理系統(tǒng)損壞）而導(dǎo)致電池充電電壓過高，正極中剩余的一部分鋰就會脫出，經(jīng)電解液到負(fù)極表面以金屬鋰的形式沉積形成枝晶。枝晶刺穿隔膜，形成內(nèi)部短路。

 

電解液的主要成分為碳酸酯，閃點很低，沸點也較低，在一定條件下會燃燒甚至爆炸。如電池出現(xiàn)過熱，會導(dǎo)致電解液中的碳酸酯被氧化和還原，產(chǎn)生大量氣體和更多的熱，如缺少安全閥或者氣體來不及通過安全閥釋放，電池內(nèi)壓便會急劇上升而引起爆炸。

 

聚合物電解質(zhì)鋰離子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。

 

在使用方面也存在一些問題，電池發(fā)生外部短路或內(nèi)部短路將產(chǎn)生幾百安培的過大電流。外部短路時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。內(nèi)部短路形成大電流，溫度上升導(dǎo)致隔膜熔化，短路面積擴大，進而形成惡性循環(huán)。

 

鋰離子電池為達(dá)到單只電芯 3～4.2V的高工作電壓，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(dǎo)致內(nèi)部壓力升高，嚴(yán)重會沖破殼體。

 

過充可能會析出金屬鋰，在殼體破裂的情況下，與空氣直接接觸，導(dǎo)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。

 

另外，對于手機鋰離子電池，由于使用不當(dāng)，如擠壓、沖擊和進水等導(dǎo)致電池膨脹、變形和開裂等，這些都會導(dǎo)致電池短路，在放電或充電過程放熱引起爆炸。