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有關鋰離子電池爆炸概述

鉅大LARGE  |  點擊量:208次  |  2020年10月04日  

摘要
首先需要明確一些理論性的東西,不感興趣可以直接跳過。鋰電池,我想我們應該更嚴謹一點,應該叫鋰離子二次電池,Li是原素周期表上直徑最小、也是最活潑的金屬,請默默的翻出初中的記憶氫氦鋰鈹硼,

首先要明確一些理論性的東西,不感興趣可以直接跳過。鋰離子電池,我想我們應該更嚴謹一點,應該叫鋰離子二次電池,Li是原素周期表上直徑最小、也是最活潑的金屬,請默默的翻出初中的記憶氫氦鋰鈹硼,碳氮氧氟氖......。正因為他有這些特性,所以廣受聰明的科學家和工程師們青睞。不過,這也是一把雙刃劍,鋰金屬暴露在空氣中,會與空氣中的氧氣發生激烈的氧化反應而爆炸,這也是我們現階段預鋰化存在的一個難題。所以日常電極材料中,我們通常用合金材料和石墨來儲存鋰原子,這些材料就像一個一個的小儲物格子,鋰原子就躺在里面,而較大的氧分子(開始背元素周期表),進不去到里面,他們的反應也就不會發生,防止爆炸,從而實現安全的目的。


鋰離子電池工作原理我之前的文章也有說過,此處不再贅述,只做簡單介紹。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。鋰離子經由電解液游到負極去,進入負極的層狀結構里,并獲得一個電子,還原為鋰原子。放電時,整個程序倒過來。(這是搖椅電池的由來)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來防止短路。好的隔膜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。


常見爆炸原因


1、原材料、來料存在嚴重的質量問題,重要是電解液的質量;


2、極片吸水,水與電解液反應,出現大量的氣體和熱;


3、注液量偏少,充放電內阻較大,影響鋰離子傳輸;


4、蓋板焊接、封口工序不良,密封性能差,存在漏氣,外部水分進入;


5、內部微短路,重要是粉塵毛刺,多來源于極片裁切掉料和切刀毛刺;


6、電流過大,負極不能接納更多的鋰離子,形成枝晶,刺穿隔膜短路;


7、電池過充,材料結構坍塌,鋰枝晶形成刺穿隔膜。


爆炸類型分析


鋰離子電池的爆炸類型,重要分為短路和過充,短路又分為內部短路和外部短路。


咱先說說外部短路,原理很簡單,一個導電的物質,從電池外部同時聯通了正極和負極。發生外部短路的時候,電流變大,電池內部開始產熱,當熱量變大,電解液會分解,出現大量氣體,電池鼓脹。我們說到很多隔膜有閉孔的功能,達到一定溫度隔膜會閉孔,阻止鋰離子的傳輸,從而阻斷化學反應,電流降下來,溫度也慢慢下降,從而防止了電池爆炸。當然,以上只是基于質量良好的隔膜。


內部短路重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。由于很細有一定的電阻值,因此,電流不見得會很大。銅鋁箔毛刺會在生產過程造成,可觀察到的現象是電池漏電、自放電快,多數可被短路測試儀檢測出來。而且,由于毛刺細小,有時會被燒斷,使得電池又恢復正常。因此,因毛刺微短路引發爆炸的機率不高。毛刺重要來源于分切,激光切少有毛刺。而枝晶來源就多了,大電流、析鋰等等都會造成。


過充造成的爆炸,是比較常見的。電池過充后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,最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生激烈氧化,都是爆炸?。?!但是過充引發內部短路造成的這種爆炸,并不一定發生在充電的當時。我們以常見的手機電池分析,還有這樣一種情況,電池溫度還未高到讓材料燃燒、出現的氣體也未足以撐破電池外殼時,我們就終止充電,帶手機出門。這時眾多的微短路所出現的熱,慢慢的將電池溫度提高,經過一段時間后,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,扔掉后就爆炸。雖然現在很多都有自動斷電功能,但還是溫馨提示,盡量不要長時間充電。


保護機制


無論是充電,還是放電,我們都有一個衡量標準,通常使用的是以電壓來停止。以鎳鈷錳酸鋰配石墨負極的三元電池為例,當電池充電電壓高于4.2V時,危險也會悄悄到來,電壓越高,危險性越高。因為當電壓高于4.2V時候,正極材料里面的鋰原子數量減少,儲存原子的結構就會坍塌,并且是永久性的是不可逆的。假如繼續充電,那么負極已經塞滿了鋰離子情況下,鋰離子就會在負極表面與電子生成鋰金屬,也就是我們說的枝晶,這些枝晶會刺穿隔膜,使正負極短路。過充還會讓溫度升高,溫度超過180℃,電解液會分解,出現大量的氣體和熱量,殼體會膨脹,破裂后,氧氣進入與鋰金屬發生劇烈反應也會爆炸。所以充電電壓上限是一個保護措施。


鋰離子電池放電時也要有電壓下限。當電芯電壓低于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,放電時最好不要放到2.4V才停止。鋰離子電池從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。通常,我們三元電池選用3.0V作為一個理想的放電截止電壓。所以不要過放是另一個保護措施。


除了剛才說的充電截止電壓、放電截止電壓以外,我們還用電流來保護電池,也就是我們常關注的倍率性能,那些所謂的幾分鐘充滿電選用了特殊材料,比如石墨烯??梢院唵卫斫鉃槟愕牟璞?,帶網狀茶隔的那種,假如你慢慢倒水,一點也不堵,水也不會濺出來??墒悄銚Q了一個大水龍頭,你會發現網上堵塞了,來不及進去。大電流對電池的傷害重要表現為,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,會在材料表面出現鋰原子結晶,這與過充相同,會造成危險。萬一電池外殼破裂,就會爆炸。


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