解析-充電機(jī)充電鋰電池發(fā)鼓脹氣和爆炸原因分析
2017-8-10 11:18:06??????點(diǎn)擊：
導(dǎo)讀
鋰金屬暴露在空氣中時(shí)，會(huì)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(lái)儲(chǔ)存鋰原子。
一、充電機(jī)充電鋰電池特性
鋰是化學(xué)周期表上直徑最小也最活潑的金屬。體積小所以容量密度高，廣受消費(fèi)者與工程師歡迎。但是，化學(xué)特性太活潑，則帶來(lái)了極高的危險(xiǎn)性。鋰金屬暴露在空氣中時(shí)，會(huì)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(lái)儲(chǔ)存鋰原子。這些材料的分子結(jié)構(gòu)，形成了奈米等級(jí)的細(xì)小儲(chǔ)存格子，可用來(lái)儲(chǔ)存鋰原子。這樣一來(lái)，即使是充電機(jī)充電蓄電池外殼破裂，氧氣進(jìn)入，也會(huì)因氧分子太大，進(jìn)不了這些細(xì)小的儲(chǔ)存格，使得鋰原子不會(huì)與氧氣接觸而避免爆炸。
充電機(jī)充電鋰電池的這種原理，使得人們?cè)讷@得它高容量密度的同時(shí)，也達(dá)到安全的目的。 充電機(jī)充電鋰電池充電時(shí)，正極的鋰原子會(huì)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(chǔ)存格，并獲得一個(gè)電子，還原為鋰原子。充電機(jī)充電鋰電池放電時(shí)，整個(gè)程序倒過(guò)來(lái)。為了防止充電機(jī)充電蓄電池的正負(fù)極直接碰觸而充電機(jī)充電鋰電池內(nèi)部短路，充電機(jī)充電蓄電池內(nèi)會(huì)再加上一種擁有眾多細(xì)孔的隔膜紙，來(lái)防止充電機(jī)充電鋰電池內(nèi)部短路。好的隔膜紙還可以在充電機(jī)充電蓄電池溫度過(guò)高時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉細(xì)孔，讓鋰離子無(wú)法穿越，以自廢武功，防止危險(xiǎn)發(fā)生。
保護(hù)措施： 鋰充電機(jī)充電蓄電池電芯過(guò)充到電壓高于4.2V后，會(huì)開(kāi)始產(chǎn)生副作用。過(guò)充電壓愈高，危險(xiǎn)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(shí)儲(chǔ)存格常會(huì)垮掉，讓充電機(jī)充電蓄電池容量產(chǎn)生永久性的下降。如果繼續(xù)充電，由于負(fù)極的儲(chǔ)存格已經(jīng)裝滿(mǎn)了鋰原子，后續(xù)的鋰金屬會(huì)堆積于負(fù)極材料表面。這些鋰原子會(huì)由負(fù)極表面往鋰離子來(lái)的方向長(zhǎng)出樹(shù)枝狀結(jié)晶。這些鋰金屬結(jié)晶會(huì)穿過(guò)隔膜紙，使正負(fù)極充電機(jī)充電鋰電池內(nèi)部短路。有時(shí)在充電機(jī)充電鋰電池內(nèi)部短路發(fā)生前充電機(jī)充電蓄電池就先爆炸，這是因?yàn)樵谶^(guò)充過(guò)程，電解液等材料會(huì)裂解產(chǎn)生氣體，使得充電機(jī)充電蓄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，鋰充電機(jī)充電蓄電池充電時(shí)，一定要設(shè)定電壓上限，才可以同時(shí)兼顧到充電機(jī)充電蓄電池的壽命、容量、和安全性。最理想的充電機(jī)充電電壓上限為4.2V。 鋰電芯充電機(jī)充電鋰電池放電時(shí)也要有電壓下限。當(dāng)電芯電壓低于2.4V時(shí)，部分材料會(huì)開(kāi)始被破壞。又由于充電機(jī)充電蓄電池會(huì)自充電機(jī)充電鋰電池放電，放愈久電壓會(huì)愈低，因此，充電機(jī)充電鋰電池放電時(shí)最好不要放到2.4V才停止。鋰充電機(jī)充電蓄電池從3.0V充電機(jī)充電鋰電池放電到2.4V這段期間，所釋放的能量只占充電機(jī)充電蓄電池容量的3%左右。因此，3.0V是一個(gè)理想的充電機(jī)充電鋰電池放電截止電壓。 充充電機(jī)充電鋰電池放電時(shí)，除了電壓的限制，電流的限制也有其必要。電流過(guò)大時(shí)，鋰離子來(lái)不及進(jìn)入儲(chǔ)存格，會(huì)聚集于材料表面。這些鋰離子獲得電子后，會(huì)在材料表面產(chǎn)生鋰原子結(jié)晶，這與過(guò)充一樣，會(huì)造成危險(xiǎn)性。萬(wàn)一充電機(jī)充電蓄電池外殼破裂，就會(huì)爆炸。
因此，對(duì)充電機(jī)充電鋰電池的保護(hù)，至少要包含：充電機(jī)充電電壓上限、充電機(jī)充電鋰電池放電電壓下限、及電流上限三項(xiàng)。一般鋰充電機(jī)充電蓄電池組內(nèi)，除了鋰充電機(jī)充電蓄電池芯外，都會(huì)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，全球鋰充電機(jī)充電蓄電池爆炸事件還是頻傳。
要確保充電機(jī)充電蓄電池系統(tǒng)的安全性，必須對(duì)充電機(jī)充電蓄電池爆炸的原因，進(jìn)行更仔細(xì)的分析。
二、充電機(jī)充電蓄電池爆炸原因：
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(wèn)題；
4、注液時(shí)候注液量達(dá)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(cè)漏氣漏測(cè)；
6、粉塵,極片粉塵首先易導(dǎo)致微充電機(jī)充電鋰電池內(nèi)部短路,具體原因未知；
7、正負(fù)極片較工藝范圍偏厚,入殼難；
8、注液封口問(wèn)題,鋼珠密封性能不好導(dǎo)致氣鼓；
9、殼體來(lái)料存在殼壁偏厚,殼體變形影響厚度；
三、爆炸類(lèi)型分析
充電機(jī)充電蓄電池芯爆炸的類(lèi)形可歸納為外部充電機(jī)充電鋰電池內(nèi)部短路、內(nèi)部充電機(jī)充電鋰電池內(nèi)部短路、及過(guò)充三種。
此處的外部系指電芯的外部，包含了充電機(jī)充電蓄電池組內(nèi)部絕緣設(shè)計(jì)不良等所引起的充電機(jī)充電鋰電池內(nèi)部短路。 當(dāng)電芯外部發(fā)生充電機(jī)充電鋰電池內(nèi)部短路，電子組件又未能切斷回路時(shí)，電芯內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生高熱，造成部分電解液汽化，將充電機(jī)充電蓄電池外殼撐大。當(dāng)充電機(jī)充電蓄電池內(nèi)部溫度高到135攝氏度時(shí)，質(zhì)量好的隔膜紙，會(huì)將細(xì)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(jìn)而避免了爆炸發(fā)生。但是，細(xì)孔關(guān)閉率太差，或是細(xì)孔根本不會(huì)關(guān)閉的隔膜紙，會(huì)讓充電機(jī)充電蓄電池溫度繼續(xù)升高，更多的電解液汽化，最后將充電機(jī)充電蓄電池外殼撐破，甚至將充電機(jī)充電蓄電池溫度提高到使材料燃燒并爆炸。
內(nèi)部充電機(jī)充電鋰電池內(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(shù)枝狀結(jié)晶穿破膈膜所造成。這些細(xì)小的針狀金屬，會(huì)造成微充電機(jī)充電鋰電池內(nèi)部短路。由于，針很細(xì)有一定的電阻值，因此，電流不見(jiàn)得會(huì)很大。銅鋁箔毛刺系在生產(chǎn)過(guò)程造成，可觀察到的現(xiàn)象是充電機(jī)充電蓄電池漏電太快，多數(shù)可被電芯廠(chǎng)或是組裝廠(chǎng)篩檢出來(lái)。而且，由于毛刺細(xì)小，有時(shí)會(huì)被燒斷，使得充電機(jī)充電蓄電池又恢復(fù)正常。因此，因毛刺微充電機(jī)充電鋰電池內(nèi)部短路引發(fā)爆炸的機(jī)率不高。這樣的說(shuō)法，可以從各電芯廠(chǎng)內(nèi)部都常有充電后不久，電壓就偏低的不良充電機(jī)充電蓄電池，但是卻鮮少發(fā)生爆炸事件，得到統(tǒng)計(jì)上的支持。因此，內(nèi)部充電機(jī)充電鋰電池內(nèi)部短路引發(fā)的爆炸，主要還是因?yàn)檫^(guò)充造成的。因?yàn)?，過(guò)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)生微充電機(jī)充電鋰電池內(nèi)部短路。因此，充電機(jī)充電蓄電池溫度會(huì)逐漸升高，最后高溫將電解液氣體。這種情形，不論是溫度過(guò)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?qǐng)觥?/span>
但是過(guò)充引發(fā)內(nèi)部充電機(jī)充電鋰電池內(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(shí)。有可能充電機(jī)充電蓄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充電機(jī)充電蓄電池外殼時(shí)，消費(fèi)者就終止充電，帶電子設(shè)備出門(mén)。這時(shí)眾多的微充電機(jī)充電鋰電池內(nèi)部短路所產(chǎn)生的熱，慢慢的將充電機(jī)充電蓄電池溫度提高，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，才發(fā)生爆炸。消費(fèi)者共同的描述都是拿起電子設(shè)備時(shí)發(fā)現(xiàn)電子設(shè)備很燙，扔掉后就爆炸。
綜合以上爆炸的類(lèi)型，我們可以將防爆重點(diǎn)放在過(guò)充的防止、外部充電機(jī)充電鋰電池內(nèi)部短路的防止、及提升電芯安全性三方面。其中過(guò)充防止及外部充電機(jī)充電鋰電池內(nèi)部短路防止屬于電子防護(hù)，與充電機(jī)充電蓄電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)及充電機(jī)充電蓄電池組裝有較大關(guān)系。電芯安全性提升之重點(diǎn)為化學(xué)與機(jī)械防護(hù)，與充電機(jī)充電蓄電池芯制造廠(chǎng)有較大關(guān)系。
四、安全的鋰充電機(jī)充電蓄電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
因鋰充電機(jī)充電蓄電池引起電子設(shè)備爆炸的恐慌心理總是讓人們?cè)谑虑檫^(guò)去后還心有余悸，包括戴爾、蘋(píng)果這樣的全球品牌也有過(guò)類(lèi)似的尷尬情況。這使人們不得不考慮一個(gè)問(wèn)題：鋰充電機(jī)充電蓄電池的爆炸是不可避免的的嗎？
電子設(shè)備、筆記本等所用的是充電機(jī)充電鋰電池，所謂充電機(jī)充電鋰電池就是靠鋰離子在正負(fù)極間的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)電量供應(yīng)和釋放的裝置，它要求鋰離子在正負(fù)極間進(jìn)行穿梭運(yùn)動(dòng)時(shí)不能附加其它影響因素，即干凈地運(yùn)動(dòng)。從理論上來(lái)說(shuō)，這種設(shè)計(jì)是完全可以實(shí)現(xiàn)的，但在實(shí)踐過(guò)程中，由于充電機(jī)充電鋰電池是敏感性極強(qiáng)的產(chǎn)品，任何一點(diǎn)異常的情況都可能導(dǎo)致充電機(jī)充電蓄電池出現(xiàn)問(wèn)題。
所有的鋰充電機(jī)充電蓄電池爆炸都是由充電機(jī)充電鋰電池內(nèi)部短路引起的，引起充電機(jī)充電鋰電池內(nèi)部短路的現(xiàn)象有過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流、過(guò)熱，它們是通過(guò)鋰充電機(jī)充電蓄電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)而形成充電機(jī)充電蓄電池充電機(jī)充電鋰電池內(nèi)部短路的，所謂內(nèi)因決定外因的意思，鋰充電機(jī)充電蓄電池結(jié)構(gòu)本身是一個(gè)工藝制造過(guò)程，而工藝制造過(guò)程是難以100%避免瑕疵存在的。
鋰離子逗留的正負(fù)極應(yīng)該潔凈，穿梭其間的電解液、隔膜也應(yīng)無(wú)雜質(zhì)，但在制造過(guò)程中，電解液與隔膜難以完全避免沾著金屬粉塵、銅箔或者鋁箔等碎片。當(dāng)人們使用不當(dāng)(過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流)或者把鋰充電機(jī)充電蓄電池置于極端環(huán)境(過(guò)高溫度)下，鋰充電機(jī)充電蓄電池就會(huì)過(guò)熱，碎片在常溫下的安靜狀態(tài)被打破，從而會(huì)在一個(gè)較熱的電解液空間中進(jìn)行熱運(yùn)動(dòng)。下一步，如果碎片接近了隔膜，熱的碎片將影響隔膜的隔離作用，也就造成充電機(jī)充電鋰電池內(nèi)部短路。
可見(jiàn)，充電機(jī)充電鋰電池內(nèi)部短路是由于兩個(gè)原因引起的：一是充電機(jī)充電蓄電池體內(nèi)有雜質(zhì)，二是雜質(zhì)會(huì)運(yùn)動(dòng)，二者的中介是發(fā)熱，因此，充電機(jī)充電鋰電池內(nèi)部短路必然有發(fā)熱伴隨，而發(fā)熱并不必然充電機(jī)充電鋰電池內(nèi)部短路。第三步，充電機(jī)充電鋰電池內(nèi)部短路會(huì)迸發(fā)火花，而電解液是易燃液體，火花在一個(gè)密閉的空間中就會(huì)引發(fā)充電機(jī)充電蓄電池的燃燒和爆炸，這一點(diǎn)很容易理解。因此，現(xiàn)在有一種聚合物鋰充電機(jī)充電蓄電池以膠體電解質(zhì)代替液體電解質(zhì)，可以降低充電機(jī)充電鋰電池內(nèi)部短路的概率。但也不能完全避免。
一旦充電機(jī)充電蓄電池發(fā)生充電機(jī)充電鋰電池內(nèi)部短路，視充電機(jī)充電蓄電池結(jié)構(gòu)和溫度高低程度的不同，一般來(lái)說(shuō)，充電機(jī)充電蓄電池體會(huì)出現(xiàn)漏液、燃燒和爆炸三種情況，而燃燒引發(fā)的安全問(wèn)題最為嚴(yán)重。
- 上一篇：充電機(jī)充電電池的高能金屬鋰離子蓄電池的研究方向 2017/8/11
- 下一篇：充電機(jī)充電蓄電池技術(shù)重要性解析 2017/8/10
