动力锂电池的安全

动力锂电池的安全

在科技飞速发展的今天，各种移动的电子设备在人类牛.活中大量应用，钿电池也随之迅速

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钻酸锂的锂离（■

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

我过低，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：埋离子电池为达到单只电芯3-4.2V的高工作电压（银氢和银略电池工作

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，高温的条件卜.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，同样使用钻酸锂和有

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

锂离广电池的安全性问题，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.目前的正极有钻酸锂和镭酸俚两种量产的材料产品。钻酸锂在小电芯

方面是很成熟的体系，由于钻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钻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，但更重要的走在材料方面并没有根本的解决问题。同

时钻酸锂的氧化性强，在175度时就会分解，壳体泄漏，与空气接触，发生燃烧、爆炸。

2、选择钵酸锂材料，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。同时锦酸锂稳固的结构，使其粗化性能远远低于钻酸锂，分解温度超

过钻酸锂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M0S管等电子元器件组成的PCB电路，各个元渊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了枝晶，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20c±5C0.2C5A直至保护电无不爆炸、不

满电后路起作用燃烧

轻工标准QB/T完全放电20'C±5C0.2C5A可让保护电12.5h不爆炸、不

态的电池路起作用燃烧

04科技部863电按标准充20C±5cIC1(A)电压达到或充电90min不爆炸、不

动车蓄电池满电，放5.0V燃烧

1小时后

国家标准按标准充20C±5*C3C5A上限电压温度下降峰值不爆炸、不

GB/T18287-2000满电后10V,10C后结束燃烧

实验

UL标准按标准充201c±5匕测试时间不得不爆炸、不

2.5C

满电后tc=-------少于48h燃烧

以3ao对应电

流和时间进行。

注：C为标称容量，IC

为测试电流

注：UL（UnderwritersLaboralorics）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-o（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20℃±5C用导线连接W50mQ直至保护电不爆炸、不

满电后的正负极路起作用燃烧、可正

电池组常充放电

轻工标准按标准充20c±5c用导线连接W50mC6h以上不爆炸、不

QB/T2502-2000满电后正负极燃烧

2004科技部863按标准充20c±5℃用导线连接W10mQlOmin不漏液、不

电动车蓄电池满电1正负极爆炸或燃

小时后烧

国家标准按标准充20-C±5*C用导线连接W50mQ温度卜降峰不爆炸、不

GB/T18287-2000满电后正负极值10℃后燃烧，外部

结束实验温度不得

高于

150℃

UL标准按标准充60c±2℃用导线连0.1Q直至温度不爆炸、

满电后20匕士5匕接正负极卜降接近环不燃烧，外

境温度壳温度不

得高于

150'C

3、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结果要求

求

军工按标准充20C土5c<b3mm沿径向强力刺穿无规定不爆炸、不

满电后燃烧

轻工标准按标准充20T±54C2.5〜5mm中央与电极面垂放置6不爆炸、不

QB/T2502-2000满电后直的方向穿透小时以燃烧

1-.

2004科技部863按标准充20c±5°C3〜8mm垂直于极板的方钢针停不爆炸、不

电动车蓄电池满电后向迅速贯穿留在其燃烧

中

UL标准按标准充20c±5℃在电池的正面与侧面，在3ms内以最小不爆炸、不

满电后加速度75g,最大加速度125T75g撞燃烧、排出

击电池物与5g

4、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

军工按标准充电池组在温度(-40C±2'C)与(70七土不变形、不

满电后2C)之间循环4次，并在各个温度环境中恒温2开裂、不漏

小时，温度交替移动的时间不大于Imin,然后在25℃液、可正常

下保持2小时充放电

轻工标准