【干貨】電池鼓殼和爆炸的原因分析

關(guān)于電池鼓殼和爆炸的原因分析

一、鋰離子電池特性

鋰是化學(xué)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(fèi)者與工程師歡迎。但是，化學(xué)特性太活潑，則帶來了極高的危險(xiǎn)性。鋰金屬暴露在空氣中時(shí)，會(huì)與氧氣產(chǎn)生激烈的氧化反應(yīng)而爆炸。為了提升安全性及電壓，科學(xué)家們發(fā)明了用石墨及鈷酸鋰等材料來儲(chǔ)存鋰原子。這些材料的分子結(jié)構(gòu)，形成了奈米等級(jí)的細(xì)小儲(chǔ)存格子，可用來儲(chǔ)存鋰原子。這樣一來，即使是電池外殼破裂，氧氣進(jìn)入，也會(huì)因氧分子太大，進(jìn)不了這些細(xì)小的儲(chǔ)存格，使得鋰原子不會(huì)與氧氣接觸而避免爆炸。鋰離子電池的這種原理，使得人們?cè)讷@得它高容量密度的同時(shí)，也達(dá)到安全的目的。

鋰離子電池充電時(shí)，正極的鋰原子會(huì)喪失電子，氧化為鋰離子。鋰離子經(jīng)由電解液游到負(fù)極去，進(jìn)入負(fù)極的儲(chǔ)存格，并獲得一個(gè)電子，還原為鋰原子。放電時(shí)，整個(gè)程序倒過來。為了防止電池的正負(fù)極直接碰觸而短路，電池內(nèi)會(huì)再加上一種擁有眾多細(xì)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(shí)，自動(dòng)關(guān)閉細(xì)孔，讓鋰離子無法穿越，以自廢武功，防止危險(xiǎn)發(fā)生。

保護(hù)措施

鋰電池芯過充到電壓高于4．2V后，會(huì)開始產(chǎn)生副作用。過充電壓愈高，危險(xiǎn)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(shí)儲(chǔ)存格常會(huì)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(chǔ)存格已經(jīng)裝滿了鋰原子，后續(xù)的鋰金屬會(huì)堆積于負(fù)極材料表面。這些鋰原子會(huì)由負(fù)極表面往鋰離子來的方向長(zhǎng)出樹枝狀結(jié)晶。這些鋰金屬結(jié)晶會(huì)穿過隔膜紙，使正負(fù)極短路。有時(shí)在短路發(fā)生前電池就先爆炸，這是因?yàn)樵谶^充過程，電解液等材料會(huì)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(jìn)去與堆積在負(fù)極表面的鋰原子反應(yīng)，進(jìn)而爆炸。因此，鋰電池充電時(shí)，一定要設(shè)定電壓上限，才可以同時(shí)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(shí)也要有電壓下限。當(dāng)電芯電壓低于2．4V時(shí)，部分材料會(huì)開始被破壞。又由于電池會(huì)自放電，放愈久電壓會(huì)愈低，因此，放電時(shí)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(gè)理想的放電截止電壓。

充放電時(shí)，除了電壓的限制，電流的限制也有其必要。電流過大時(shí)，鋰離子來不及進(jìn)入儲(chǔ)存格，會(huì)聚集于材料表面。這些鋰離子獲得電子后，會(huì)在材料表面產(chǎn)生鋰原子結(jié)晶，這與過充一樣，會(huì)造成危險(xiǎn)性。萬一電池外殼破裂，就會(huì)爆炸。

因此，對(duì)鋰離子電池的保護(hù)，至少要包含充電電壓上限、放電電壓下限、及電流上限三項(xiàng)。一般鋰電池組內(nèi)，除了鋰電池芯外，都會(huì)有一片保護(hù)板，這片保護(hù)板主要就是提供這三項(xiàng)保護(hù)。但是，保護(hù)板的這三項(xiàng)保護(hù)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(duì)電池爆炸的原因，進(jìn)行更仔細(xì)的分析。

二、電池爆炸原因

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(shí)候注液量達(dá)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(cè)漏氣漏測(cè)。

6粉塵，極片粉塵首先易導(dǎo)致微短路，具體原因未知。

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。

三、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(jì)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(shí)，電芯內(nèi)部會(huì)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(shí)，質(zhì)量好的隔膜紙，會(huì)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(jìn)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(huì)關(guān)閉的隔膜紙，會(huì)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材料燃燒并爆炸。

內(nèi)部短路主要是因?yàn)殂~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(huì)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(huì)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(shí)會(huì)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(jī)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(jì)上的支持。因此，內(nèi)部短路引發(fā)的爆炸，主要還是因?yàn)檫^充造成的。因?yàn)?，過充后極片上到處都是針狀鋰金屬結(jié)晶，刺穿點(diǎn)到處都是，到處都在發(fā)生微短路。因此，電池溫度會(huì)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(jìn)去與鋰金屬發(fā)生激烈氧化，都是爆炸收?qǐng)觥?/p>

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(shí)。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(shí)，消費(fèi)者就終止充電，帶手機(jī)出門。這時(shí)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(shí)間后，才發(fā)生爆炸。消費(fèi)者共同的描述都是拿起手機(jī)時(shí)發(fā)現(xiàn)手機(jī)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(diǎn)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(hù)，與電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)及電池組裝有較大關(guān)系。電芯安全性提升之重點(diǎn)為化學(xué)與機(jī)械防護(hù)，與電池芯制造廠有較大關(guān)系。

四、設(shè)計(jì)規(guī)范

由于全球手機(jī)有數(shù)億只，要達(dá)到安全，安全防護(hù)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(yuǎn)高于一億分之一。因此，電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須有兩道以上的安全防線。常見的錯(cuò)誤設(shè)計(jì)是用充電器（adaptor）直接去充電池組。這樣將過充的防護(hù)重任，完全交給電池組上的保護(hù)板。雖然保護(hù)板的故障率不高，但是，即使故障率低到百萬分之一，機(jī)率上全球還是天天都會(huì)有爆炸事故發(fā)生。

電池系統(tǒng)如能對(duì)過充、過放、過電流都分別提供兩道安全防護(hù)，每道防護(hù)的失敗率如果是萬分之一，兩道防護(hù)就可以將失敗率降到一億分之一。常見的電池充電系統(tǒng)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(zhuǎn)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(hù)板及電池芯兩大部分，以及一個(gè)PTC來限定最大電流。

文字方塊適配器交流變直流文字方塊充電控制器限流限壓文字方塊充電器文字方塊保護(hù)板過充、過放過流等防護(hù)文字方塊電池組文字方塊限流片文字方塊電池芯以手機(jī)電池系統(tǒng)為例，過充防護(hù)系利用充電器輸出電壓設(shè)定在4．2V左右，來達(dá)到第一層防護(hù)，這樣就算電池組上的保護(hù)板失效，電池也不會(huì)被過充而發(fā)生危險(xiǎn)。第二道防護(hù)是保護(hù)板上的過充防護(hù)功能，一般設(shè)定為4．3V。這樣，保護(hù)板平常不必負(fù)責(zé)切斷充電電流，只有當(dāng)充電器電壓異常偏高時(shí)，才需要?jiǎng)幼?。過電流防護(hù)則是由保護(hù)板及限流片來負(fù)責(zé)，這也是兩道防護(hù)，防止過電流及外部短路。由于過放電只會(huì)發(fā)生在電子產(chǎn)品被使用的過程。因此，一般設(shè)計(jì)是由該電子產(chǎn)品的線路板來提供第一到防護(hù)，電池組上的保護(hù)板則提供第二道防護(hù)。當(dāng)電子產(chǎn)品偵測(cè)到供電電壓低于3．0V時(shí)，應(yīng)該自動(dòng)關(guān)機(jī)。如果該產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)未設(shè)計(jì)這項(xiàng)功能，則保護(hù)板會(huì)在電壓低到2．4V時(shí)，關(guān)閉放電回路。

總之，電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須對(duì)過充、過放、與過電流分別提供兩道電子防護(hù)。其中保護(hù)板是第二道防護(hù)。把保護(hù)板拿掉后充電，如果電池會(huì)爆炸就代表設(shè)計(jì)不良。

上述方法雖然提供了兩道防護(hù)，但是由于消費(fèi)者在充電器壞掉后，常會(huì)買非原廠充電器來充電，而充電器業(yè)者，基于成本考慮，常將充電控制器拿掉，來降低成本。結(jié)果，劣幣驅(qū)逐良幣，市面上出現(xiàn)了許多劣質(zhì)充電器。這使得過充防護(hù)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(zhì)充電器可以稱得上是電池爆炸事件的元兇。

當(dāng)然，并非所有的電池系統(tǒng)都采用如上圖的方案。在有些情況下，電池組內(nèi)也會(huì)有充電控制器的設(shè)計(jì)。例如許多筆記型計(jì)算機(jī)的外加電池棒，就有充電控制器。這是因?yàn)楣P記型計(jì)算機(jī)一般都將充電控制器做在計(jì)算機(jī)內(nèi)，只給消費(fèi)者一個(gè)適配器。因此，筆記型計(jì)算機(jī)的外加電池組，就必須有一個(gè)充電控制器，才能確保外加電池組在使用適配器充電時(shí)的安全。另外，使用汽車點(diǎn)煙器充電的產(chǎn)品，有時(shí)也會(huì)將充電控制器做在電池組內(nèi)。

最后的防線

如果電子的防護(hù)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(jí)，可依據(jù)電芯能否通過外部短路和過充來大略區(qū)分等級(jí)。由于，電池爆炸前，如果內(nèi)部有鋰原子堆積在材料表面，爆炸威力會(huì)更大。而且，過充的防護(hù)常因消費(fèi)者使用劣質(zhì)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。

鋁殼電芯與鋼殼電芯安全性比較鋁殼相對(duì)于鋼殼具有很高的安全優(yōu)勢(shì)。

文章內(nèi)容轉(zhuǎn)摘自微信公眾號(hào)好電科技