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教你鋰電池如何防爆?

文章出處:世邁騰網 人氣:- 發表時間:2015-04-28 11:35:00【

鋰電池防爆技術

鋰離子電池已經成為可攜式電子產品的電池。這種電池容量密度高、價格具競爭力,預計未來幾年仍將是市場主流。但是鋰電池卻一直潛藏著爆炸的危險。由於應用愈來愈廣,爆炸事件也就層出不窮。其實,透過正確的電池係統設計及電芯等級判定,鋰離子電池是可以做到非常安全的。目前防爆線路及防爆電芯技術都已成熟,爆炸事件應該可以愈來愈少。

鋰離子電池特性

  鋰是化學周期表上直徑小也活潑的金屬。體積小所以容量密度高,廣受消費者與工程師歡迎。但是,化學特性太活潑,則帶來了極高的危險性。鋰金屬暴露在空氣中時,會與氧氣產生激烈的氧化反應而爆炸。為了提升安全性及電壓,科學家們發明了用石墨及鈷酸鋰等材料來儲存鋰原子。這些材料的分子結構,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。鋰離子經由電解液遊到負極去,進入負極的儲存格,並獲得一個電子,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,自動關閉細孔,讓鋰離子無法穿越,以自廢武功,防止危險發生。

  保護措施

  鋰電池芯過充到電壓高於4.2V後,會開始產生副作用。過充電壓愈高,危險性也跟著愈高。鋰電芯電壓高於4.2V後,正極材料內剩下的鋰原子數量不到一半,此時儲存格常會垮掉,讓電池容量產生永久性的下降。如果繼續充電,由於負極的儲存格已經裝滿了鋰原子,後續的鋰金屬會堆積於負極材料表麵。這些鋰原子會由負極表麵往鋰離子來的方向長出樹枝狀結晶。這些鋰金屬結晶會穿過隔膜紙,使正負極短路。有時在短路發生前電池就先爆炸,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麵的鋰原子反應,進而爆炸。因此,鋰電池充電時,一定要設定電壓上限,才可以同時兼顧到電池的壽命、容量、和安全性。理想的充電電壓上限為4.2V。

  鋰電芯放電時也要有電壓下限。當電芯電壓低於2.4V時,部分材料會開始被破壞。又由於電池會自放電,放愈久電壓會愈低,因此,放電時好不要放到2.4V才停止。鋰電池從3.0V放電到2.4V這段期間,所釋放的能量隻占電池容量的3%左右。因此,3.0V是一個理想的放電截止電壓。

  充放電時,除了電壓的限製,電流的限製也有其必要。電流過大時,鋰離子來不及進入儲存格,會聚集於材料表麵。這些鋰離子獲得電子後,會在材料表麵產生鋰原子結晶,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,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,全球鋰電池爆炸事件還是頻傳。要確保電池係統的安全性,必須對電池爆炸的原因,進行更仔細的分析。

  爆炸類型分析

電池芯爆炸的類形可歸納為外部短路、內部短路、及過充三種。此處的外部係指電芯的外部,包含了電池組內部絕緣設計不良等所引起的短路。

  當電芯外部發生短路,電子組件又未能切斷回路時,電芯內部會產生高熱,造成部分電解液汽化,將電池外殼撐大。當電池內部溫度高到135攝氏度時,質量好的隔膜紙,會將細孔關閉,電化學反應終止或近乎終止,電流驟降,溫度也慢慢下降,進而避免了爆炸發生。但是,細孔關閉率太差,或是細孔根本不會關閉的隔膜紙,會讓電池溫度繼續升高,更多的電解液汽化,後將電池外殼撐破,甚至將電池溫度提高到使材料燃燒並爆炸內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晶穿破膈膜所造成。這些細小的針狀金屬,會造成微短路。由於,針很細有一定的電阻值,因此,電流不見得會很大。銅鋁箔毛刺係在生產過程造成,可觀察到的現象是電池漏電太快,多數可被電芯廠或是組裝廠篩檢出來。而且,由於毛刺細小,有時會被燒斷,使得電池又恢複正常。因此,因毛刺微短路引發爆炸的機率不高。

  這樣的說法,可以從各電芯廠內部都常有充電後不久,電壓就偏低的不良電池,但是卻鮮少發生爆炸事件,得到統計上的支持。因此,內部短路引發的爆炸,主要還是因為過充造成的。因為,過充後極片上到處都是針狀鋰金屬結晶,刺穿點到處都是,到處都在發生微短路。因此,電池溫度會逐漸升高,後高溫將電解液氣體。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生激烈氧化,都是爆炸收場。

  但是過充引發內部短路造成的這種爆炸,並不一定發生在充電的當時。有可能電池溫度還未高到讓材料燃燒、產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生的熱,慢慢的將電池溫度提高,經過一段時間後,才發生爆炸。消費者共同的描述都是拿起手機時發現手機很燙,扔掉後就爆炸。

  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麵。其中過充防止及外部短路防止屬於電子防護,與電池係統設計及電池組裝有較大關係。電芯安全性提升之重點為化學與機械防護,與電池芯製造廠有較大關係。

  設計規範

  由於全球手機有數億隻,要達到安全,安全防護的失敗率必須低於一億分之一。由於,電路板的故障率一般都遠高於一億分之一。因此,電池係統設計時,必須有兩道以上的安全防線。常見的錯誤設計是用充電器(adaptor)直接去充電池組。這樣將過充的防護重任,完全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,機率上全球還是天天都會有爆炸事故發生。

  電池係統如能對過充、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。常見的電池充電係統方塊圖如下,包含充電器及電池組兩大部分。充電器又包含適配器(Adaptor)及充電控製器兩部分。適配器將交流電轉為直流電,充電控製器則限製直流電的大電流及高電壓。電池組包含保護板及電池芯兩大部分,以及一個PTC來限定大電流。

  電池芯以手機電池係統為例,過充防護係利用充電器輸出電壓設定在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生危險。第二道防護是保護板上的過充防護功能,一般設定為4.3V。這樣,保護板平常不必負責切斷充電電流,隻有當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,這也是兩道防護,防止過電流及外部短路。由於過放電隻會發生在電子產品被使用的過程。因此,一般設計是由該電子產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。當電子產品偵測到供電電壓低於3.0V時,應該自動關機。如果該產品設計時未設計這項功能,則保護板會在電壓低到2.4V時,關閉放電回路。

來源:ICCSINO 作者:鑫欏資訊 世邁騰科技轉載

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