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锂电池爆炸原因与防范

作者 :宋谦更新时间:2019-01-23

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(深圳辉烨通讯技术有限公司上海分公司 上海 201199)  摘要:伴随着 3C 产品的普及,锂电池作为 3C 产品的重要组成部分在人们日常生活中的应用日益扩大。不久前的三星 Note 7 手机多起电池燃烧爆炸事故让三  星这一品牌陷入空前危机,也让锂电池爆炸这一问题引起了人们的高度关注。本文即是从锂电池爆炸原因入手,初步探讨了锂电池爆炸的防范措施。  关键词:锂电池;爆炸;原因分析;防范措施  当下随着随着社会经济和科技产品的生活化扁平化发展,以手  机、笔记本电脑等为代表的 3C 电子产品已从“旧时王谢堂前燕”“飞入  寻常百姓家”,越来越普及成为我们生活中不可或缺的工具和帮手,  在日常生活中的广泛使用,伴随着 3C 产品的普及化,锂电池作为 3C  产品的重要组成部分,其在生活中的应用日益扩大,然而随着锂电池  的普及与推广,近年来各种锂电池爆炸新闻也是层出不穷,尤其是不  久前的三星 Note 7 手机“爆炸门”事件,更是将锂电池的安全性问题推  上了舆论的风口浪尖。以下我们将针对锂电池的爆炸原因与防范措施  作出初步探讨。  1 锂电池爆炸原因分析  为什么锂离子电池会爆炸?这要从它的化学性质谈起。通常来  说,和其他充电电池如镍锌电池一样,锂离子电池同样有正极材料和  负极材料,在锂电池中的正极一般使用锂钴氧材料,而锂电池的负极  材料则五花八门,其中以石墨(碳)最为常见。研究人员发现,锂电  池之所以会发生爆炸,其危险来源并不是锂电池的正负两个电极,而  是中间的有机电解质溶剂,以易燃的醚类最多。在锂电池的充电过程  中,锂电池正极锂钴氧中的锂离子通过电解质,游离并附着在负极。  锂电池放电时则相反,锂离子从负极通过电解质游回锂钴氧的正极一  端。在以石墨为负极的锂离子电池里,是用一层锂钴氧,一层装有电  解质的分隔物、一层石墨为一组,通过迭组的形式迭加起来的。这种  锂电电池如因电子产品设计缺陷或人为使用不当的原因造成短路前  提下,锂电池内部的能量突然成倍数增加且无处释放,最终在极短的  时间内以热量的形式释放出来,点燃锂电池的醚类电解质溶剂,从而  引发起火爆炸。  2 如何衡量锂电池的性能优劣  2.1 充放电倍率:越高越好  一般来说衡量电池性能的优劣,充放电倍率是很重要的选项之  一。然而往往 3C 产品设备的锂电池在正常使用的过程中对此项要求  不高。因为手机或者笔记本电脑等设备基本上不会在短短一个小时内  从满电使用到自动关机的,3C 产品在设计之初,通常也不会将电池  的续航能力设计得过短。因此再不济的笔记本电脑,其设计之初的电  池续航都在 3 小时以上,所以我们在 3C 产品设计时考虑的电池的放  电倍率达到 0.3C 左右就能满足需求,充电要求往往也很低,通常 3-4  小时充满的数码设备大家都能接受,所以充电上对电池提出的要求也  是 0.3C 左右。例如 iPhone 6 电池容量为 1810mAH,那么这颗电池的  1C 放电电流就是 1.81 安培;比亚迪 e6 电动汽车中使用的每颗电池容  量是 200AH,则这个电池 1C 放电电流就是 200 安培。一个电池如果  用高倍率放电,通常放出的能量比低倍率少。不论国产还是松下、三  星之类的进口锂电池,对电池放电的要求都远低于电池行业的普遍标  准。放电倍率只要满足 0.3C 都够用。充电方面,通常的规格是  10400mAh 配备一个 1.0A 的输入口。这样充电的倍率只有 0.13C。这  就是为什么移动电源劣质产品特别多的原因。  2.2 充放电循环次数越多越好  数码设备通常来说,500 次充放电是锂电池的常见值,根据不同  材料制作的锂电池充放电次数从 300-3000 次不等。这个值的具体含  义每个工厂可能略有不同,大致可以理解为:按厂商规定的充放电倍  率(比如 1C 放电,0.3C 充电;每次从 0%充放到 100%,照此循环)  下,500 次循环后,电池容量还剩最初的 80%。笔记本和移动电源使  用频率相较于手机大幅降低,手机最多三天充一次,但是移动电源和  笔记本平均下来往往一周都不一定能完成一次充放电,这样算下来,  只要保证 50 次充放电寿命就能撑一年。对于成熟的锂电池来说最差  最差也能提供 300 次的循环寿命,这个次数对使用笔记本和移动电源  的人来说都够正常使用 6 年的了。  2.3 内阻越小越好  这个参数随负载轻重、温度等因素随时变化,随着电池寿命减少,  内阻也在逐渐增大。内阻越小的电池越可以高倍率充放电,18650 的  普通电池内阻在 50mΩ 左右,动力型的 18650 电池在 15mΩ 左右。  3 锂电池安全防范措施研究  为了避免锂离子电池过热,甚至爆炸,现代的锂离子电池内建了  许多自我保护的机制。为了避免锂离子电池过热,甚至爆炸,现代的  锂离子电池内建了许多自我保护的机制。首先,每颗锂离子电池(或  在笔电的例子中,整组电池组)都内建了一颗控制芯片,这颗控制芯  片会监控电池的电压(电池组的话,会监控其中每个电池的个别电压)  和温度,超出设定的范围,芯片就会自动断电。此外,每颗电池还会  设计排气孔,让因高温产生的气体可以顺利地排掉,不至于累积产生  爆炸。这些保护措施对没有实体受到伤害的电池来说是足够了,但如  果是被破坏(例如被尖锐物体刺穿)的锂电池怎么办?工程师们电池  在电解液内加入了一种“纳米级高分子材料”,当受热时,这种高分子  材料会聚合成一种具有隔离效果的薄膜,阻止锂离子的流动,切断暴  走的短路电池继续加热电池的可能。这种技术不仅阻止电池爆炸,也  阻止了电池可能过热的危险,大部份我们看到的实验,温度都没超过  摄氏 60 度(但也还是会烫),但至少没有引燃周围可燃物的危险。技  术人员尝试了一些解决方案例如使用固态电解质,开发固态锂电池,  但是其成本较高。此外,还有就是使用新的能量供给方式,例如利用  人体动能给电子设备提供能量,目前这个方案还处于实验室阶段。另  外一个很直接的方案就是在现有的电解液中增加阻燃剂。但是,为了  完成阻燃性,就需要在电解液中添加大量的阻燃剂,这样会相应地降  低电解液的离子导电性,显著影响锂电池的电化学性能和能量密度。  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。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。  4 结语  锂系电池是近 20 年来发展最快的电池体系,目前被广泛用于电  子产品。其实只要我们掌握了正确使用的方法之后,锂电池带给我们  的便利要远大于其危险的另一面,在日常生活中我们完全没有必要存  在“谈锂色变”的心态,相信随着材料技术的进步和人们对锂离子电池  设计、制造、检测和使用诸方面要求的认识不断加深,未来的锂离子  电池会变得更安全。  参考文献:  [1] 王彩娟;宋杨;金军;;部分锂离子电池的安全问题[J];电池;2015  年 01 期  [2] 王彩娟;宋杨;赵永;吴志中;;锂离子电池标准中质量损失问题  的研究[J];电池工业;2015 年 06 期  [3] 王彩娟;宋杨;魏洪兵;赵永;;部分锂离子电池的机械性能研究  [J];电池工业;2016 年 06 期 职称论文发表网http://www.issncn.com 职称论文发表网http://www.issncn.com

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