关于锂电池爆炸锂电池不安全的问题.docx

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关于锂电池爆炸锂电池不安全的问题

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关于锂电池爆炸锂电池不安全的问题

　　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，让使得电池外壳或压力阀鼓涨破裂，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。

　　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。

　　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。

如果，外部短路不会爆炸的电芯，可以得到一颗星。

而过充不会爆炸的电芯，可以得到两颗星。

那么电芯的安全等级，就有零颗星到三颗星，四种等级。

日本制和台湾制的电池芯，通常都可达到三颗星的最高等级，中国制的电芯就参差不齐。

下表为市场上常见锂电芯的安全等级。

　　安全等级过充不爆炸短路不爆炸代表厂商

　　★★★OO日本厂、能元、宜电等

　　★★OX

　　★XO大陆一、二级厂

　　☆XX大陆二、三级厂

　　电芯抗外部短路的方法，通常包括使用高质量的隔膜纸和采用压力阀两种措施。

其中高质量的隔膜效果最好，外部短路时超过百分之九十九的电池不会发生爆炸。

压力阀则有副作用。

例如电池过充时，压力阀如果太早破裂，会让氧气进入导致爆炸。

另外，中国制压力阀的精密度非常不可*。

中国铝壳厂生产的铝壳，不到一成的压力阀会在业者宣称的压力范围内起作用，可*度只有百分之一、二。

因此，对组装厂而言，要确保电池不会发生短路爆炸，最好的方法还是直接作实验。

只要将电池充饱电，再放入防爆箱中短路即可判定抗短路的能力。

　　电池芯抗过充的方法则非常复杂，必须考虑化学配方、外壳机械特性、及配套的电子组件。

一般系利用电池过充到某个电压时，让添加物开始发生反应，一方面增加内阻，一方面将电能转为热能，以达到1C/12V过充6小时，不会爆炸的安全水平。

对于串并用的电池，有时还会再加上配套的电子组件或精密的压力阀。

　　目前中国制电芯约近半数可以通过短路测试，但是绝大多数都无法通过过充测试。

又由于电子防护方面，最容易崩溃的防线是过充防护，而过充所衍生的爆炸也最严重。

因此，电池芯的抗过充能力，是相关业者在选择电池芯时，重点中的重点。

对单颗使用的电池而言，至少要能达到1C/6V过充6小时不爆炸。

对串联使用的电池，至少要能通过1C/12V过充6小时。

这样才能在消费者使用劣质充电器的情形下，确保电池组的安全。

　　责任归属

　　电池组发生爆炸事件时，分析爆炸原因，是判定责任归属的第一步。

如果是短路爆炸且短路的部位在电池组的外部，这必然是两道电子防护都失效且电芯也未能通过短路的考验。

这时保护板厂商、电芯厂商、PTC厂商、与组装厂商都有责任。

但是这种情况发生的机率不高。

如果短路的部位在电池组的内部，最可能的导因是绝缘失效且电芯未能通过短路的考验。

因此，组装厂与电芯厂都有责任。

如果是过充爆炸，通常导因于充电器电压过高、保护板因温度过高而暂时性或永久性的失效、且电芯未能防过充。

由于所有电芯厂都只保证电芯短路时不爆炸，

　　而不保证过充时不爆炸。

组装厂也都会于产品上标示，『只能用原厂充电器』。

因此，充电器厂与通信行的责任最大，保护板厂商与组装厂次之。

有非常多的充电器，虽然标示的输出电压在4.2V左右，实际电压则超过5V。

这种情况下，责任显然在充电器厂与通信行。

如果充电器厂商如实的标示高于5V的电压，结果通信行还把它卖给消费者当手机充电器，那么通信行就要负最大的责任了。

　　鉴定电池组爆炸原因的专业度非常高，而且费用不訾。

由于组装厂在整个供应链里，扮演者将电芯变安全的角色。

因此，在责任不清时，常需先负担该费用。

因此，选用安全性高的电芯，尤其是抗过充的电芯，对组装厂至为重要。

　　消费者注意事项

　　锂离子电池系统如果设计得当，对于过充、过放、过电流都有两道电子防护，而且电芯也通得过短路测试与过充测试。

那么，安全性应该无虞，消费者可以安心的使用。

　　买充电器时，最好买原厂的充电器。

买非原厂充电器，不要轻信厂商标示的输出电压值。

应请通信行用电表量一下充电座的输出电压值，电压低于4.3V才可使用。

必须使用电压高于4.3V的充电器时，最好是插在手机尾部充电。

切勿将非原厂电池组放在非原厂的充电座上充电，多数的爆炸都是这样发生的。