鋰離子電池安全問(wèn)題表現及失效產(chǎn)生途徑分析

鋰離子電池容易發(fā)生起火爆炸等事故，本質(zhì)上還是由于其有機材料體系造成的。究其安全失效機制，可以分為內部因素和外部因素兩大類(lèi)。

內部因素是指電池本身的材料組成、生產(chǎn)工藝等對電池安全性的影響；外部因素是指在使用過(guò)程中電池經(jīng)受某些特殊的使用條件，如過(guò)充、擠壓等引發(fā)的電池熱失控，造成膨脹、冒煙甚至起火等。

鋰離子電池安全問(wèn)題

鋰離子電池安全問(wèn)題主要表現為：

·起火，直接燒傷人體，或對電池供電的電子產(chǎn)品造成著(zhù)火危險；

·爆炸，直接危害人體，或損毀設備，并產(chǎn)生嚴重次生危害；

·過(guò)熱，直接對人體引起灼傷，或導致絕緣等級下降和安全元器件性能降低，或引燃可燃液體；

·漏液，可能會(huì )直接被人體接觸或吸人構成化學(xué)腐蝕危害，或導致電池供電的電子產(chǎn)品內部絕緣失效間接造成電擊、著(zhù)火等危險；

·電擊，對于輸出電壓超過(guò)安全電壓限值的電池組，還可能引發(fā)電擊危險。

鋰離子電池失效產(chǎn)生途徑

鋰離子電池失效的產(chǎn)生主要有以下幾種途徑，如圖1所示：

圖1 鋰離子電池失效的產(chǎn)生途徑

第①種途徑：

第①種途徑主要與鋰離子電池的內部短路有關(guān)。鋰離子電池的內部短路是其安全問(wèn)題的最重要誘因，大部分的安全問(wèn)題都是由于內部短路引起的。內部短路是電池內的正負極短路，一般是由生產(chǎn)過(guò)程中混入的金屬雜質(zhì)、電極金屬箔在剪切時(shí)造成的毛刺、使用過(guò)程中形成鋰枝晶以及受到擠壓等意外機械應力引起。內部短路時(shí)會(huì )產(chǎn)生大量的熱，從而引起安全問(wèn)題，內部短路對電池電壓和溫度的影響見(jiàn)圖2。

圖2 內部短路對電池電壓和溫度的影響

在大多數情況下，鋰離子電池內部短路引起的安全問(wèn)題表現為著(zhù)火和爆炸危險，而普通的過(guò)熱危險一般被認為是可以接受的危險。

第②種途徑：

第②種途徑主要與電路故障有關(guān)，如圖3所示。為了對鋰離子進(jìn)行充放電管理及安全保護，在使用電池的宿主設備或適配器中需要設計充放電管理電路，在部分設備內還有放電的負載電路。

圖3 可能會(huì )出現故障的電路

為了對鋰離子電池進(jìn)行保護，在封裝過(guò)程中需要在電池組中加入保護電路板。這些電池組內部的或外部的電路都有可能出現故障，進(jìn)而引起電池的過(guò)壓充電、過(guò)度充電、過(guò)度放電、外部短路、過(guò)載等電應力條件，這些條件也可能會(huì )導致過(guò)熱、著(zhù)火、爆炸等危險。

在電應力條件中，過(guò)壓充電和過(guò)度充電會(huì )產(chǎn)生劇烈的副反應，產(chǎn)生大量的熱，從而導致熱失控；過(guò)度放電會(huì )導致電池的電壓低于廠(chǎng)商規定的放電截止電壓，此時(shí)的副反應主要為電解液的分解，產(chǎn)生大量的氣體導致外殼鼓脹破裂引發(fā)漏液；外部短路和過(guò)載則會(huì )使放電電流變大，從而使電池內部溫度或者外部導體的溫度劇增，引發(fā)熱失控。

第③種途徑：

第③種途徑主要與誤用、濫用有關(guān)。誤用和濫用包括在高溫下使用或存儲(如在車(chē)內)、用戶(hù)使用了錯誤的充電器(過(guò)壓充電)、極性反接充電、在攜帶過(guò)程中電池端子被外部的導體(金屬、溶液等)短路。這些誤用和濫用都可能造成電池發(fā)出大量的熱，甚至造成熱失控。

第④種途徑：

第④種途徑主要與電池外殼破裂有關(guān)。引起外殼破裂的誘因包括內部和外部應力。內部應力是指過(guò)度放電等副反應造成的內外壓差；外部應力是指運輸、使用過(guò)程中的正常的或者意外的機械應力，如振動(dòng)、加速度沖擊、跌落等造成的外殼破裂。外殼破裂會(huì )使內部的電解液泄漏，從而引起危險。

第⑤種途徑：

第⑤種途徑主要與一致性有關(guān)。在由多節電池(電芯)通過(guò)串聯(lián)、并聯(lián)以及串并混聯(lián)構成的電池組中，電池之間的內阻、開(kāi)路電壓、容量的一致性會(huì )造成對電池組內部的某一電池或電池并聯(lián)塊的過(guò)壓充電、欠壓放電等，從而引起安全問(wèn)題。

某鋰電池失效原因分析

造成鋰離子電池失效的原因很多，不同原因可能會(huì )造成同一結果和現象，且有些是直接原因，有些是間接原因，故進(jìn)行鋰離子電池失效分析，應該對造成失效的各層級原因進(jìn)行分析，排除可排除的因素，進(jìn)而推導得出根本原因。

某鋰離子電池失效起鼓，首先可以分析，造成電池起鼓的直接原因是由于電解液的分解，在密封的電池內部產(chǎn)生了氣體，造成電池鼓脹。造成電解液分解的原因有很多，所有可能的因素如圖4所示，顯然電解液受熱分解是最主要的可能原因。

使電解液受熱分解的高溫，可能來(lái)自于電池過(guò)載、外部短路、高溫以及電池的內部短路。如果失效前的場(chǎng)景應用能夠排除前面三項目，則最可能的原因是電池內部短路。

圖4 某電池鼓脹原因推導

造成電池內部短路同樣有鋰枝晶、毛刺和金屬雜質(zhì)等幾種可能。需要對其可能性與成因進(jìn)行進(jìn)一步分析。以鋰枝晶析出為例，鋰枝晶的析出直接原因可能是電池材料不良所致，也有可能是負極析鋰后，鋰金屬沿著(zhù)隔膜空隙生長(cháng)，接觸正極便形成了鋰枝晶。負極析鋰的原因可能包括充電倍率過(guò)高，或者在過(guò)低溫度下的充電。即電池充電溫度、電流管理不當，這種不恰當是由于保護電路問(wèn)題(沒(méi)有設計或者設計不當)、系統充電電路問(wèn)題(故障或者設計不當)以及用戶(hù)使用環(huán)境問(wèn)題綜合造成的。

總結：通過(guò)上述案例，從現象到原因的逐層分析表明，電池失效有其根本原因，也有表面原因。某一個(gè)因素又可能由多種原因造成，需要用對應的方法和技術(shù)手段排除次要原因或者無(wú)關(guān)原因，從而找到主要原因，最終定位到根本原因，例如某種設計缺陷。對失效根本原因作出針對性的改善，才能真正提升產(chǎn)品安全性。

參考：謝志利等《常見(jiàn)電子產(chǎn)品用鋰離子電池失效原因分析》

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