鋰系電池是近20年來(lái)發(fā)展最快的電池體系，目前被廣泛用于電子產(chǎn)品。而近來(lái)發(fā)生的手機(jī)、筆記本電腦爆炸本質(zhì)上就是電池爆炸。手機(jī)和筆記本電池到底是什么樣的，如何工作，為什么會(huì)發(fā)生爆炸，如何避免爆炸。

　　鋰電池芯過(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)極短路。有時(shí)在短路發(fā)生前電池就先爆炸，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)兼顧到電池的壽命、容量、和安全性。最理想的充電電壓上限為 4.2V。鋰電芯放電時(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。又由于電池會(huì)自放電，放愈久電壓會(huì)愈低，因此，放電時(shí)最好不要放到 2.4V 才停止。鋰電池從 3.0V 放電到 2.4V 這段期間，所釋放 的能量只占電池容量的 3%左右。因此，3.0V 是一個(gè)理想的放電截止電壓。充放電時(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 電池外殼破裂，就會(huì)爆炸。 因此，對(duì)鋰離子電池的保護(hù)，至少要包含：充電電壓上限、放電電壓下限、及電流上限三項(xiàng)。一般鋰電 池組內(nèi)，除了鋰電池芯外，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(duì)電池爆炸的原因， 進(jìn)行更仔細(xì)的分析。

　　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、裝配制程中激光焊接密封性能差，測(cè)漏氣時(shí)漏氣；

　　6、粉塵、極片粉塵首先易導(dǎo)致微短路；

　　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；

　　10、外面環(huán)境溫度過(guò)高也是導(dǎo)致爆炸的主要原因。

　　爆炸類(lèi)型

　　爆炸類(lèi)型分析電池芯爆炸的類(lèi)形可歸納為外部短路、內(nèi)部短路、及過(guò)充三種。此處的外部系指電芯的外部，包含了電池組內(nèi)部絕緣設(shè)計(jì)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(shí)，電芯內(nèi)部會(huì)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(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)讓電池溫度繼續(xù)升高，更多的電解液汽化，最后將電池外殼撐破，甚至將電池溫度提高到使 料燃燒并爆炸。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)象是電池漏電太快，多數(shù)可被電芯廠或是組裝廠篩檢出來(lái)。而且由于毛刺細(xì)小，有時(shí)會(huì)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(jī)率不高。這樣的說(shuō)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(jì)上的支持。因此，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)椋^(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)生微短路。因此，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?/p>

　　但是過(guò)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(shí)。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(shí)，消費(fèi)者就終止充電，帶手機(jī)出門(mén)。這時(shí)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(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手機(jī)時(shí)發(fā)現(xiàn)手機(jī)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)充防止及外部短路防止屬于電子防護(hù)，與電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)及電池組裝有較大關(guān)系。電芯安全性提升 之重點(diǎn)為化學(xué)與機(jī)械防護(hù)，與電池芯制造廠有較大關(guān)系。

　　安全隱患

　　鋰離子電池的安全性問(wèn)題，不僅與池材料本身性質(zhì)有關(guān)，而且與電池制備技術(shù)和使用有關(guān)。手機(jī)電池頻頻發(fā)生爆炸事件，一方面是由于保護(hù)電路失效，但更重要的是在于材料方面并沒(méi)有根本的解決問(wèn)題。

　　鈷酸鋰正極活性材料在小電芯方面是很成熟的體系，但是充滿(mǎn)電后，仍舊有大量的鋰離子留在正極，當(dāng)過(guò)充時(shí)，殘留在正極的鋰離子將會(huì)涌向負(fù)極，在負(fù)極上形成枝晶是采用鈷酸鋰材料的電池過(guò)充時(shí)必然的結(jié)果，甚至在正常充放電過(guò)程中，也有可能會(huì)有多余的鋰離子游離到負(fù)極形成枝晶，鈷酸鋰材料的理論比能量是超過(guò)每克270毫安時(shí)的，但為保證其循環(huán)性能，實(shí)際使用容量只有理論容量的一半。在使用過(guò)程中，由于某種原因（如管理系統(tǒng)損壞）而導(dǎo)致電池充電電壓過(guò)高，正極中剩余的一部分鋰就會(huì)脫出，經(jīng)電解液到負(fù)極表面以金屬鋰的形式沉積形成枝晶。枝晶刺穿隔膜，形成內(nèi)部短路。

　　電解液的主要成分為碳酸酯，閃點(diǎn)很低，沸點(diǎn)也較低，在一定條件下會(huì)燃燒甚至爆炸。如電池出現(xiàn)過(guò)熱，會(huì)導(dǎo)致電解液中的碳酸酯被氧化和還原，產(chǎn)生大量氣體和更多的熱，如缺少安全閥或者氣體來(lái)不及通過(guò)安全閥釋放，電池內(nèi)壓便會(huì)急劇上升而引起爆炸。

　　聚合物電解質(zhì)鋰離子電池并沒(méi)有從根本上解決安全性問(wèn)題，同樣使用鈷酸鋰和有機(jī)電解液，而且電解液為膠狀，不易泄漏，將會(huì)發(fā)生更猛烈的燃燒，燃燒是聚合物電池安全性最大的問(wèn)題。

　　在使用方面也存在一些問(wèn)題，電池發(fā)生外部短路或內(nèi)部短路將產(chǎn)生幾百安培的過(guò)大電流。外部短路時(shí)電池瞬間大電流放電，在內(nèi)阻上消耗大量能量，產(chǎn)生巨大熱量。內(nèi)部短路形成大電流，溫度上升導(dǎo)致隔膜熔化，短路面積擴(kuò)大，進(jìn)而形成惡性循環(huán)。

　　鋰離子電池為達(dá)到單只電芯 3～4.2V的高工作電壓，必須采取分解電壓大于2V的有機(jī)電解液，而采用有機(jī)電解液在大電流、高溫的條件下會(huì)被電解，電解產(chǎn)生氣體，導(dǎo)致內(nèi)部壓力升高，嚴(yán)重會(huì)沖破殼體。

　　過(guò)充可能會(huì)析出金屬鋰，在殼體破裂的情況下，與空氣直接接觸，導(dǎo)致燃燒，同時(shí)引燃電解液，發(fā)生強(qiáng)烈火焰，氣體急速膨脹，發(fā)生爆炸。

　　另外，對(duì)于手機(jī)鋰離子電池，由于使用不當(dāng)，如擠壓、沖擊和進(jìn)水等導(dǎo)致電池膨脹、變形和開(kāi)裂等，這些都會(huì)導(dǎo)致電池短路，在放電或充電過(guò)程放熱引起爆炸。

　　鋰電池的安全性：

　　為了避免因使用不當(dāng)造成電池過(guò)放電或者過(guò)充電，在單體鋰離子電池內(nèi)設(shè)有三重保護(hù)機(jī)構(gòu)。一是采用開(kāi)關(guān)元件，當(dāng)電池內(nèi)的溫度上升時(shí)，它的阻值隨之上升，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)自動(dòng)停止供電；二是選擇適當(dāng)?shù)母舭宀牧希?dāng)溫度上升到一定數(shù)值時(shí)，隔板上的微米級(jí)微孔會(huì)自動(dòng)溶解掉，從而使鋰離子不能通過(guò)，電池內(nèi)部反應(yīng)停止；三是設(shè)置安全閥（就是電池頂部的放氣孔），電池內(nèi)部壓力上升到一定數(shù)值時(shí)，安全閥自動(dòng)打開(kāi)，保證電池的使用安全性。

　　有時(shí)，電池本身雖然有安全控制措施，但是因?yàn)槟承┰蛟斐煽刂剖ъ`，缺少安全閥或者氣體來(lái)不及通過(guò)安全閥釋放，電池內(nèi)壓便會(huì)急劇上升而引起爆炸。一般情況下，鋰離子電池儲(chǔ)存的總能量和其安全性是成反比的，隨著電池容量的增加，電池體積也在增加，其散熱性能變差，出事故的可能性將大幅增加。對(duì)于手機(jī)用鋰離子電池，基本要求是發(fā)生安全事故的概率要小于百萬(wàn)分之一，這也是社會(huì)公眾所能接受的最低標(biāo)準(zhǔn)。而對(duì)于大容量鋰離子電池，特別是汽車(chē)等用大容量鋰離子電池，采用強(qiáng)制散熱尤為重要。

　　選擇更安全的電極材料，選擇錳酸鋰材料，在分子結(jié)構(gòu)方面保證了在滿(mǎn)電狀態(tài)，正極的鋰離子已經(jīng)完全嵌入到負(fù)極炭孔中，從根本上避免了枝晶的產(chǎn)生。同時(shí)錳酸鋰穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)，使其氧化性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鈷酸鋰，分解溫度超過(guò)鈷酸鋰100℃，即使由于外力發(fā)生內(nèi)部短路（針刺），外部短路，過(guò)充電時(shí)，也完全能夠避免了由于析出金屬鋰引發(fā)燃燒、爆炸的危險(xiǎn)。

　　另外，采用錳酸鋰材料還可以大幅度降低成本。

　　提高現(xiàn)有安全控制技術(shù)的性能，首先要提高鋰離子電池芯的安全性能，這對(duì)大容量電池尤為重要。選擇熱關(guān)閉性能好的隔膜，隔膜的作用是在隔離電池正負(fù)極的同時(shí)，允許鋰離子的通過(guò)。當(dāng)溫度升高時(shí)，在隔膜熔化前進(jìn)行關(guān)閉，從而使內(nèi)阻上升至2000歐姆，讓內(nèi)部反應(yīng)停止下來(lái)。當(dāng)內(nèi)部壓力或溫度達(dá)到預(yù)置的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，防爆閥將打開(kāi)，開(kāi)始進(jìn)行卸壓，以防止內(nèi)部氣體積累過(guò)多，發(fā)生形變，最終導(dǎo)致殼體爆裂。提高控制靈敏度、選擇更靈敏的控制參數(shù)和采用多個(gè)參數(shù)的聯(lián)合控制（這對(duì)于大容量電池尤為重要）。對(duì)于大容量鋰離子電池組是串/并聯(lián)的多個(gè)電芯組成，如筆記本電腦的電壓為10V以上，容量較大，一般采用3～4個(gè)單電池串聯(lián)就可以滿(mǎn)足電壓要求，然后再將2～3個(gè)串聯(lián)的電池組并聯(lián)，以保證較大的容量。

　　大容量電池組本身必須設(shè)置較為完善的保護(hù)功能，還應(yīng)考慮兩種電路基板模塊：保護(hù)電路基板（Protection Board PCB）模塊及Smart Battery Gauge Board模塊。整套的電池保護(hù)設(shè)計(jì)包括：第1級(jí)保護(hù)IC（防止電池過(guò)充、過(guò)放、短路），第2級(jí)保護(hù)IC（防止第2次過(guò)壓）、保險(xiǎn)絲、LED指示、溫度調(diào)節(jié)等部件。在多級(jí)保護(hù)機(jī)制下，即使是在電源充電器、筆記本電腦出現(xiàn)異常的情況下，筆記本電池也只能轉(zhuǎn)為自動(dòng)保護(hù)狀態(tài)，如果情況不嚴(yán)重，往往在重新插拔后還能正常工作，不會(huì)發(fā)生爆炸。

　　筆記本電腦和手機(jī)使用的鋰離子電池所采用的底層技術(shù)是不安全的，需要考慮更安全的結(jié)構(gòu)。

　　總之，隨著材料技術(shù)的進(jìn)步和人們對(duì)鋰離子電池設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)和使用諸方面要求的認(rèn)識(shí)不斷加深，未來(lái)的鋰離子電池會(huì)變得更安全。