锂电池为什么有安全性问题.doc

在科技飞速发展的今天，各种移动的电子设备在人类生活中大量应用，锂电池也随之迅速发展成为二次电池领域中重要的一个产业。锂电池在比容量、无记忆效应、长寿命、环保等综合性能远远超过其他二次电池，锂电池被称为“终极电池”，但为什么在大容量电池领域却没有见到锂电池的身影呢？关键问题是受到锂电池的安全性问题的制约。希望通过本文能够为各位认识锂离子电池的安全性，对于选择和应用锂离子电池带来帮助，推动锂离子电池的发展。 一、锂电池为什么有安全性问题 1、内部短路是如何形成的：锂离子电池的最大的隐患是应用钴酸锂的锂离子电池在过充的情况下（甚至正常充放电时），锂离子在负极堆积形成枝晶，刺穿隔膜，形成内部短路。 2、 产生大电流：外部短路，内部短路将产生几百安培的过大电流 i. 外部短路时，由于外部负载过低，电池瞬间大电流放电。在内阻上消耗大量能量，产生巨大热量。 ii. 内部短路，主要原因是隔膜被穿透，内部形成大电流，温度上升导致隔膜熔化，短路面积扩大，进而形成恶性循环 3、 气体是哪里来的：锂离子电池为达到单只电芯 3 4.2V 的高工作电压（镍氢和镍硌电池工作电压为 1.2V ，铅酸电池工作电压为 2V ），必须采取分解电压大于 2V 的有机电解液，而采用有机电解液在大电流，高温的条件下会被电解，电解产生气体，导致内部压力升高，严重会冲破壳体 4、 燃烧是如何发生的：热量来源于大电流，同时在高电压（超过 5V ）情况下，正极锂的氧化物也会发生氧化反应，析出金属锂，在气体导致壳体破裂的情况下，与空气直接接触，导致燃烧，同时引燃电解液，发生强烈火焰，气体急速膨胀，发生爆炸。 5、 聚合物电池是否会有安全性问题：聚合物电池与锂离子电池的区别在于电解液为胶状、半固态，锂离子电池电解液为液态。所以，聚合物电池可以使用软包装，在内部产生气体时，可以更早的突破壳体，避免气体聚集过多，产生激烈涨裂。但聚合物电池并没有从根本上解决安全性问题，同样使用钴酸锂和有机电解液，而且电解液为胶状，不易泄漏，将会发生更猛烈的燃烧，燃烧是聚合物电池安全性最大的问题。 二、 如何解决大容量锂电池的安全性问题锂离子电池的安全性问题，并不是外围问题，而是一个基于材料技术的本质问题。在材料技术上取得突破：1、 选择安全的正极材料，目前的正极有钴酸锂和锰酸锂两种量产的材料产品。钴酸锂在小电芯方面是很成熟的体系，由于钴酸锂在分子结构方面（ LiCo ）的特点：充满电后，仍旧有大量的锂离子留在正极，当过充时，残留在正极的锂离子将会涌向负极，在负极上形成枝晶是采用钴酸锂材料的电池过充时必然的结果，甚至在正常充放电过程中，也有可能会有多余的锂离子游离到负极形成枝晶。所以手机电池频频发生爆炸事件，一方面是由于保护电路失效，但更重要的是在材料方面并没有根本的解决问题。同时钴酸锂的氧化性强，在 175 度时就会分解，壳体泄漏，与空气接触，发生燃烧、爆炸。2、 选择锰酸锂材料，在分子结构方面保证了在满电状态，正极的锂离子已经完全嵌入到负极炭孔中，从根本上避免了枝晶的产生。同时锰酸锂稳固的结构，使其氧化性能远远低于钴酸锂，分解温度超过钴酸锂 100 度，即使由于外力发生内部短路（针刺），外部短路，过充电时，也完全能够避免了由于析出金属锂引发燃烧、爆炸的危险。3、 选择热关闭性能好的隔膜，隔膜的作用是在隔离电池正负极的同时，允许锂离子的通过。当温度升高时，在隔膜熔化前进行关闭，从而使内阻上升至 2000 欧姆，让内部反应停止下来。4、 防爆阀：当内部压力或温度达到预置的标准时，防爆阀将打开，开始进行卸压，以防止内部气体积累过多，发生形变，最终导致壳体爆裂。5、 保护电路：通常保护电路需起到防止过充电，过放电，超大电流的作用。主要原理是通过测量每一只电芯的电压和总电流，控制开关电路进行整个回路的关断，在电路的设计上并没有过高的难度。但保护电路的设计是否合理，可靠性是否足够高，是考验生产厂商的能力。保护电路是基于大约数十个个电阻、电容，开关 MOS 管等电子元器件组成的 PCB 电路，各个元器件都存在失效的可能性。失效的保护电路会出现开路或导通两种状态，当开路时会导致用户不能使用电池组，而导通的状态将会考验电芯抗过充的能力。 三、 用什么样的标准考察大容量锂电池的安全性1、 过充试验利用恒定电流持续给电芯充电，设定固定电压上限。电芯内部在负极上产生锂离子枝晶，刺穿隔膜是通过该试验最大的威胁。前提环境温度充电电流试验过程时间要求结果要求军工按标准充满电后20 5 0.2C 5A直至保护电路起作用无不爆炸、不燃烧轻工标准 QB/T25022000完全放电态的电池20 50.2C 5A可让保护电路起作用12.5h不爆炸、不燃烧04 科技部 863 电动车蓄电池按标准充满电，放 1 小时后20 51C 1(A)电压达到 5.0V或充电 90min不爆炸、不燃烧国家标准GB/T 18287-2000按标准充满电后20 53C 5 A上限电压 10V ，温度下降峰值 10 后结束实验不爆炸、不燃烧UL 标准按标准充满电后20 5以对应电流和时间进行。注： C 为标称容量， I C 为测试电流测试时间不得少于 48h不爆炸、不燃烧注：UL(Underwriters Laboratories)是一家产品安全测试和认证机构，对消费者来说UL就是安全标志的象征。全球，UL是制造厂商最值得信赖的合格评估提供者之一。（摘自UL实验室中文网站）2、 短路试验用小电阻的导线直接连接正负极，使电池形成超大电流回路，电池内部快速升温前提环境温度短路方法外部电阻时间结果要求军标按标准充满电后的电池组20 5 用导线连接正负极 50m 直至保护电路起作用不爆炸、不燃烧、可正常充放电轻工标准 QB/T2502-2000按标准充满电后20 5用导线连接正负极 50m 6h 以上不爆炸、不燃烧2004 科技部 863 电动车蓄电池按标准充满电 1 小时后20 5用导线连接正负极 10m 10min不漏液、不爆炸或燃烧国家标准GB/T 18287-2000按标准充满电后20 5用导线连接正负极 50m 温度下降峰值 10 后结束实验不爆炸、不燃烧，外部温度不得高于 150UL 标准按标准充满电后60 220 5用导线连接正负极0.1 直至温度下降接近环境温度不爆炸、不燃烧，外壳温度不得高于 1503、 针刺试验用铁针垂直穿透电池，持续形成内部短路前提环境温度钢钉试验过程时间要求结果要求军工按标准充满电后20 5 3mm沿径向强力刺穿无规定不爆炸、不燃烧轻工标准 QB/T2502-2000按标准充满电后20 5 2.5 5mm中央与电极面垂直的方向穿透放置 6 小时以上不爆炸、不燃烧2004 科技部 863 电动车蓄电池按标准充满电后20 5 3 8mm垂直于极板的方向迅速贯穿钢针停留在其中不爆炸、不燃烧UL 标准按标准充满电后20 5在电池的正面与侧面，在 3ms 内以最小加速度 75g ，最大加速度 125 -175g 撞击电池不爆炸、不燃烧、排出物 5g4、 热冲击把电芯放入高温箱中， 以标准规定的速度升温 ，持续的高温导致内部隔膜熔化，形成大面积内部短路前提升温速率上限温度时间要求结果要求军工按标准充满电后电池组在温度（ -40 ）与（ 70 ）之间循环 4 次 , 并在各个温度环境中恒温 2 小时，温度交替移动的时间不大于 1min ，然后在 25 下保持 2 小时不变形、不开裂、不漏液、可正常充放电轻工标准 QB/T2502-2000按标准充满电后5 1 130 60 min不爆炸、不燃烧2004 科技部 863 电动车蓄电池按标准充满电后5 2 70 2 20min不漏液、不变形、不爆炸或燃烧国家标准GB/T 18287-2000按标准充满电后5 2150 230 min不爆炸、不燃烧UL 标准按标准充满电后