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zui小也zui活潑的金屬。體積小所以容量密度高,，廣受消費者與工程師歡迎。但是,，化學(xué)特性太活潑,，則帶來了*的危險性。鋰金屬暴露在空氣中時,，會與氧氣產(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存鋰原子,。這些材料的分子結(jié)構(gòu),，形成了奈米等級的細小儲存格子，可用來儲存鋰原子,。這樣一來,，即使是電池外殼破裂，氧氣進入,，也會因氧分子太大,，進不了這些細小的儲存格，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,，使得人們在獲得它高容量密度的同時，也達到安全的目的,。
    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)由電解液游到負極去,，進入負極的儲存格,，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極直接碰觸而短路,，電池內(nèi)會再加上一種擁有眾多細孔的隔膜紙,，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)閉細孔,，讓鋰離子無法穿越，以自廢武功,，防止危險發(fā)生,。
保護措施
    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。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,，此時儲存格常會垮掉，讓電池容量產(chǎn)生*性的下降,。如果繼續(xù)充電,，由于負極的儲存格已經(jīng)裝滿了鋰原子，后續(xù)的鋰金屬會堆積于負極材料表面,。這些鋰原子會由負極表面往鋰離子來的方向長出樹枝狀結(jié)晶,。這些鋰金屬結(jié)晶會穿過隔膜紙，使正負極短路,。有時在短路發(fā)生前電池就先爆炸,，這是因為在過充過程，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,，讓氧氣進去與堆積在負極表面的鋰原子反應(yīng)，進而爆炸,。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，至少要包含：充電電壓上限,、放電電壓下限,、及電流上限三項。一般鋰電池組內(nèi),，除了鋰電池芯外,，都會有一片保護板，這片保護板主要就是提供這三項保護,。但是,，保護板的這三項保護顯然是不夠的，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,，進行更仔細的分析。

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:注液時候注液量達不到工藝要求.

5:裝配制程中激光焊焊接密封性能差,漏氣,，測漏氣時漏測.

6:粉塵,極片粉塵首先易導(dǎo)致微短路.

7:正負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,。當(dāng)電池內(nèi)部溫度高到135攝氏度時,，質(zhì)量好的隔膜紙，會將細孔關(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,，進而避免了爆炸發(fā)生,。但是，細孔關(guān)閉率太差,，或是細孔根本不會關(guān)閉的隔膜紙,，會讓電池溫度繼續(xù)升高，更多的電解液汽化,，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)部短路主要是因為銅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,。這些細小的針狀金屬，會造成微短路,。由于,，針很細有一定的電阻值，因此,，電流不見得會很大,。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,，由于毛刺細小，有時會被燒斷,，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)計上的支持。因此,，內(nèi)部短路引發(fā)的爆炸,，主要還是因為過充造成的。因為,，過充后極片上到處都是針狀鋰金屬結(jié)晶,，刺穿點到處都是，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,，消費者就終止充電，帶手機出門,。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,。消費者共同的描述都是拿起手機時發(fā)現(xiàn)手機很燙，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,，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為化學(xué)與機械防護,，與電池芯制造廠有較大關(guān)系,。

四、設(shè)計規(guī)范

由于手機有數(shù)億只,，要達到安全,，安全防護的失敗率必須低于一億分之一。電路板的故障率一般都遠高于一億分之一,。因此,，諸多鋰電池廠家電池系統(tǒng)設(shè)計時，必須有兩道以上的安全防線,。常見的錯誤設(shè)計是用充電器(adaptor)直接去充電池組,。這樣將過充的防護重任，*交給電池組上的保護板,。雖然保護板的故障率不高,，但是，即使故障率低到百萬分之一,，機率上還是天天都會有爆炸事故發(fā)生,。
    電池系統(tǒng)如能對過充、過放,、過電流都分別提供兩道安全防護,，每道防護的失敗率如果是萬分之一，兩道防護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。①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zui大電流及zui高電壓。②電池組包含保護板及電池芯兩大部分,，以及一個PTC來限定zui大電流,。
    適配器交流變直流文字方塊：電控制器限流限壓文字方塊: 充電器文字方塊: 保護板過充、過放,、過流等防護文字方塊: 電池組文字方塊: 限流片文字方塊: 電池芯以手機電池系統(tǒng)為例,，過充防護系統(tǒng)利用充電器輸出電壓設(shè)定在4.2V左右，來達到*層防護，這樣就算電池組上的保護板失效,，電池也不會被過充而發(fā)生危險,。第二道防護是保護板上的過充防護功能，一般設(shè)定為4.3V,。這樣,，保護板平常不必負責(zé)切斷充電電流，只有當(dāng)充電器電壓異常偏高時,，才需要動作,。過電流防護則是由保護板及限流片來負責(zé)，這也是兩道防護,，防止過電流及外部短路,。由于過放電只會發(fā)生在電子產(chǎn)品被使用的過程。因此,，一般設(shè)計是由該電子產(chǎn)品的線路板來提供*到防護,，電池組上的保護板則提供第二道防護。當(dāng)電子產(chǎn)品偵測到供電電壓低于3.0V時,，應(yīng)該自動關(guān)機,。如果該產(chǎn)品設(shè)計時未設(shè)計這項功能，則保護板會在電壓低到2.4V時,，關(guān)閉放電回路,。
    總論：電池系統(tǒng)設(shè)計時，必須對過充,、過放,、與過電流分別提供兩道電子防護。其中保護板是第二道防護,。把保護板拿掉后充電,，如果電池會爆炸就代表設(shè)計不良。
    上述方法雖然提供了兩道防護,，但是由于消費者在充電器壞掉后,，常會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,。這使得過充防護失去了*道也是zui重要的一道防線。而過充又是造成電池爆炸的zui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)也會有充電控制器的設(shè)計。例如：許多筆記型計算機的外加電池棒,，就有充電控制器,。這是因為筆記型計算機一般都將充電控制器做在計算機內(nèi)，只給消費者一個適配器,。因此,，筆記型計算機的外加電池組，就必須有一個充電控制器,，才能確保外加電池組在使用適配器充電時的安全,。另外，使用汽車點煙器充電的產(chǎn)品,，有時也會將充電控制器做在電池組內(nèi),。
    zui后的防線：如果電子的防護措施都失敗了，zui后的一道防線,，就要由電芯來提供了,。電芯的安全層級，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,。由于,，電池爆炸前，如果內(nèi)部有鋰原子堆積在材料表面,，爆炸威力會更大,。而且，過充的防護常因消費者使用劣質(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
鋁殼相對于鋼殼具有很高的安全優(yōu)勢,。