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鋰電池的防爆技術(shù)簡介

更新時間:2010-03-23      點(diǎn)擊次數(shù):2107

鋰離子電池已經(jīng)成為可攜式電子產(chǎn)品的電池。這種電池的容量密度高、價格具競爭力,在未來的幾年內(nèi),仍將是市場主流產(chǎn)品。但是鋰電池卻一直潛藏著爆炸的危險。

    由于鋰離子電池的應(yīng)用愈來愈廣,爆炸事件層出不窮。其實(shí),透過正確的電池設(shè)計系統(tǒng)及電芯等級判定,鋰離子電池是可以做到非常安全的,目前防爆線路及防爆技術(shù)都已成熟,爆炸事件應(yīng)該可以愈來愈少。

    可以通過鋰離子的電池特性來分析:鋰是化學(xué)周期表上直徑zui小也是zui活潑的金屬。但是因其化學(xué)性質(zhì)太活潑,給它的使用帶來了*的危險性。當(dāng)鋰金屬暴露于空氣中時,會與空氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生爆炸現(xiàn)象。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存鋰原子。這些材料的分子結(jié)構(gòu),形成了納米等級的細(xì)小儲存格子,可用來儲存鋰原子。這樣一來,即使是電池外殼破裂,氧氣進(jìn)入,也會因氧分子太大,進(jìn)不了這些細(xì)小的儲存格,使得鋰原子不會與氧氣接觸而避免爆炸。鋰離子電池的這種原理,使得人們在獲得高容量密度的同時,也達(dá)到安全的目的。

    鋰離子電池充電時,正極的鋰原子會喪失電子,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)極的儲存格,并獲得一個電子,還原為鋰原子。放電時,整個程序倒過來。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,自動關(guān)閉細(xì)孔,讓鋰離子無法穿越,以自廢武功,防止危險發(fā)生。

    保護(hù)措施

    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。這是因?yàn)樵谶^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(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,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。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(jìn)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(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,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(jìn)行更仔細(xì)的分析。

    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。zui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,會造成微短路。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)椋^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,電池溫度會逐漸升高,zui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(fèi)者就終止充電,帶手機(jī)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(fèi)者共同的描述都是拿起手機(jī)時發(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。
 

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