钜大LARGE | 点击量：3937次 | 2020年11月16日
解析影响锂离子电池安全的主要因素
锂离子电池产品经过30年的产业化发展，安全技术取得了长足的进步，有效地控制了电池内副反应的发生，保证了电池的安全性。但是，随着锂离子电池的使用越来越广泛，能量密度越来越高，近年来还是屡屡发生爆炸伤人或因安全隐患产品等事件。我们总结造成锂离子电池产品安全问题的原因主要有以下几点：
首先合格的锂离子电池安全性是很高的，作为用户只要按照正确的电池使用方法，发生自燃的概率是微乎其微。不要贪图便宜购买劣质低价锂电池，低价必然意味偷工减料、以次充好。
锂电池发生事故原因总结起来就是：
"急功近利"
"无知者无畏"
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
锂电池安全隐患解析：
一般来说，锂离子电池出现安全问题表现为燃烧甚至爆炸，出现这些问题的根源在于电池内部的热失控。除此之外，一些外部因素，如过充、火源、挤压、穿刺、短路等问题也会导致安全性问题。锂离子电池在充放电过程中会发热，如果产生的热量超过了电池热量的耗散能力，锂离子电池就会过热，电池材料就会发生SEI膜的分解、电解液分解、正极分解、负极与电解液的反应和负极与粘合剂的反应等破坏性的副反应。
1.正极材料的安全隐患
当锂离子电池使用不当时，导致电池内部温度的升高，使正极材料会发生活性物质的分解和电解液的氧化。同时，这两种反应能够产生大量的热，从而造成电池温度的进一步上升。不同的脱锂状态对活性物质晶格转变、分解温度和电池的热稳定性影响相差很大。
2.负极材料的安全隐患
早期使用的负极材料是金属锂，组装的电池在多次充放电后易产生锂枝晶(锂电池在充电过程中锂离子还原时形成的树枝状金属锂)，进而刺破隔膜，导致电池短路、漏液甚至发生爆炸。嵌锂化合物能够有效避免锂枝晶的产生，大大提高锂离子电池的安全性。随着温度的升高，嵌锂状态下的碳负极首先与电解液发生放热反应。相同的充放电条件下，电解液与嵌锂人造石墨反应的放热速率远大于与嵌锂的中间相碳微球、碳纤维、焦碳等的反应放热速率。
3.隔膜与电解液的安全隐患
锂离子电池的电解液为锂盐与有机溶剂的混合溶液，其中商用的锂盐为六氟磷酸锂，该材料在高温下易发生热分解，并与微量的水以及有机溶剂之间进行热化学反应，降低电解液的热稳定性。电解液有机溶剂为碳酸酯类，这类溶剂沸点、闪点(闪燃是液体表面产生足够的蒸气与空气混合形成可燃性气体时，遇火源产生短暂的火光，发生一闪即灭的现象。闪燃的最低温度称为闪点)较低，在高温下容易与锂盐释放PF5的反应，易被氧化。
4.制造工艺中的安全隐患
锂离子电池在制造过程中，电极制造、电池装配等过程都会对电池的安全性产生影响。如正极和负极混料、涂布、辊压、裁片或冲切、组装、加注电解液的量、封口、化成等诸道工序的质量控制，无一不影响电池的性能和安全性。浆料的均匀度决定了活性物质在电极上分布的均匀性，从而影响电池的安全性。浆料细度太大，电池充放电时会出现负极材料膨胀与收缩比较大的变化，可能出现金属锂的析出；浆料细度太小会导致电池内阻过大。涂布加热温度过低或烘干时间不足会使溶剂残留，粘结剂部分溶解，造成部分活性物质容易剥离；温度过高可能造成粘结剂炭化，活性物质脱落造成电池内部短路。另外，电解液中如果混入了过多的水分，可能就会发生副反应而增大电池内压，对安全造成影响
5.电芯设计缺陷安全性能降低
在结构设计上，许多对安全有影响的关键点没有被厂家重视，如关键部位没有绝缘胶带，隔膜设计没有留有余量或余量不足，正负极容量比设计不合理，正负极活性物质面积比设计不合理，极耳长度设计不合理等，这些都可能对电池的安全性埋下隐患。另外在电芯的生产过程中，一些电芯生产厂家为了节省成本和提高性能，尽量节省和压缩原材料，如减少隔膜面积、减薄铜箔、铝箔以及不使用泄压阀、不使用绝缘胶带等，这些都会降低电池的安全性。
6.能量密度过高
目前市场上都在追求更高容量的电池产品，厂家为了增加产品竞争力，不断提高锂离子电池的体积比能量，这在很大程度上增加了电池的危险性。
7.电池使用过程中的安全隐患
锂离子电池在使用过程中应该尽可能减少过充电或者过放电，特别对于单体容量高的电池，过充电或者过放电可能会引发一系列放热副反应，导致安全性问题。
8.聚合物锂离子电池是否会有安全隐患：
根据锂离子电池所用电解质材料的不同，锂离子电池分为液态锂离子电池和聚合物锂离子电池或塑料锂离子电池。
聚合物锂离子电池所用的正负极材料与液态锂离子电池都是相同的，正极材料为钴酸锂、锰酸锂、三元材料和磷酸铁锂材料，负极为石墨，电池工作原理也基本一致。它们的主要区别在于电解质的不同，液态锂离子电池使用液体电解质，聚合物锂离子电池则以固体聚合物电解质来代替，这种聚合物可以是"干态"的，也可以是"胶态"的，目前大部分采用聚合物凝胶电解质。
聚合物锂离子电池可以使用软包装，在内部产生气体时，可以更早的突破壳体，避免气体聚集过多，产生激烈涨裂。很多人认为聚合物锂离子电池的安全性能比液态锂离子电池的安全性能要好。
但聚合物锂离子电池并没有从根本上解决安全性问题，同样使用钴酸锂和有机电解液，而且电解液为胶状，不易泄漏，一旦过热将会发生更猛烈的燃烧。燃烧是聚合物锂离子电池安全性最大的问题。
8路5V20A锂电池检测分容均衡仪
常用的安全技术：
虽然锂离子电池具有诸多危险隐患，但是在特定的使用条件下，以及采用一定的措施是可以有效地控制电芯内副反应和剧烈反应的发生，保证其使用安全的。下面就简单介绍几种锂离子电池常用的安全技术。
1选用安全系数更高的原材料
选用安全系数更高的正负极活性材料、隔膜材料和电解液。
a）正极材料的选择
正极材料的安全性主要基于以下3个方面：
1材料的热力学稳定性；
2材料的化学稳定性；
3材料的物理性能。
选择更安全的电极材料，比如选择锰酸锂材料，在分子结构方面保证了在满电状态，正极的锂离子已经完全嵌入到负极炭孔中，从根本上避免了枝晶的产生。同时锰酸锂稳固的结构，使其氧化性能远远低于钴酸锂，分解温度超过钴酸锂100℃，即使由于外力发生内部短路（针刺），外部短路，过充电时，也完全能够避免了由于析出金属锂引发燃烧、爆炸的危险。
另外，采用锰酸锂材料还可以大幅度降低成本。
b）隔膜材料的选择
隔膜的主要作用是将电池的正、负极分隔开，防止正负极接触而短路，同时具有使电解质离子通过的能力，即具有电子绝缘性和离子导通性。当温度升高时，在隔膜熔化前进行关闭，从而使内阻上升至2000欧姆，让内部反应停止下来。锂离子电池选用隔膜时应注意以下几点：
1具有电子绝缘性，保证正负极的机械隔离；
2有一定的孔径和孔隙率，保证低的电阻和高的离子电导率；
3隔膜材料具有足够的化学稳定性，必须耐电解液腐蚀；
4隔膜要有自动关断保护的功能；
5隔膜的热收缩率和变形性要尽可能地小；
6隔膜要具有一定的厚度；
7隔膜要具有较强的物理强度并有足够大的抗穿刺的能力。
c）电解液的选择
电解液是锂离子电池的重要组成部分，在电池正负极之间起着输送和传导电流的作用。锂离子电池使用电解液是以适当的锂盐溶解在有机非质子混合溶剂中而形成的电解质溶液。它通常应满足以下几方面的要求：
1化学稳定性好，与电极活性物质、集流体和隔膜不发生化学反应；
2电化学稳定性好，具有较宽的电化学窗口；
3锂离子电导率高，电子电导率低；
4液态温度范围宽；
5安全无毒，对环境友好。
2加强电芯整体安全性设计
电芯是将电池各种物质组合起来的纽带，是正极、负极、隔膜、极耳和包装膜等系统之集成，电芯结构设计，不单影响到各种材料性能的发挥，还对电池的整体电化学性能、安全性能产生重要的影响。材料的选择与电芯结构设计正是一种局部与整体的关系，在电芯设计上，应该结合材料特性来制定合理的结构模式。
另外，在锂电池结构上还可以考虑一些额外的保护装置，常见的保护机构设计有以下几种：
1采用开关元件，当电池内的温度上升时，它的阻值随之上升，当温度过高时，会自动停止供电；
2设置安全阀（就是电池顶部的放气孔），电池内部压力上升到一定的数值时，安全阀自动打开，保证电池的使用安全性。当内部压力或温度达到预置的标准时，防爆阀将打开，开始进行卸压，以防止内部气体积累过多，发生形变，最终导致壳体爆裂。
下面对电芯结构的安全设计提出一些实例：
a）正负极容量比和设计大小片
根据正负极材料的特性来选择合适的正负极容量比，电芯的正负极容量的配比是关系到锂离子电池安全性的重要环节，正极容量过大将会出现金属锂在负极表面沉积，而负极过大电池的容量会有较大的损失。一般而言，N/P=1.05～1.15，并根据实际的电池容量和安全性要求进行适当的选择。设计大小片，使负极膏体（活性物质）位置包住（大于）正极膏体，位置，一般宽度应大1～5mm，长度应大5～10mm。
b）隔膜宽度留有余量
隔膜宽度设计的总体原则是防止正负极片直接接触而发生内部短路，由于电池在充放电过程中和热冲击等环境下，隔膜的热收缩性导致隔膜在长度和宽度方向上发生变形，隔膜褶皱的区域由于正负极间的距离增大，致使极化增大；隔膜拉伸的区域由于隔膜变薄而使微短路的可能性加大；隔膜边缘区域的收缩则可能导致正负极直接接触而发生内短路，这些都会使电池因热失控而发生危险。因此，在设计电池时，在隔膜的面积和宽度的使用上必须考虑其收缩特性，隔离膜要比阳极、阴极大。考虑在工艺误差外，隔离膜必须比极片外边长至少0.1mm。
c）绝缘处理
内短路是锂离子电池存在安全性隐患的重要因素，在电芯的结构设计中存在很多引发内短路的潜在危险部位，因此应该在这些关键位置设置必要的措施或者绝缘，以防止在异常情况下发生电池内短路，比如：正负极耳间保持必要的间距；收尾单面中间无膏，位置需贴绝缘胶带，并将部分全部包住；正极铝箔和负极活性物质之间贴绝缘胶带；应用绝缘胶带将极耳焊接部分全部包住；电芯顶部采用绝缘胶带等。
d）设置安全阀（泄压装置）
锂离子电池发生危险，常常是因为内部温度过高或压力过大而引发爆炸、起火；设置合理的泄压装置，能在危险发生时迅速释放电池内部的压力和热量，减少爆炸危险。合理的泄压装置要求既能满足电池正常工作时的内压又能在内压达到危险极限的时候自动打开而泄放压力，泄压装置的设置位置需要考虑电池外壳因内压增大所产生形变的特性来设计；安全阀的设计可以通过薄片、边缘、接缝和刻痕等来实现。
3提高工艺水平
努力做好电芯生产过程中的标准化和规范化。在混料、涂布、烘烤、压实、分切和卷绕等步骤中，制定标准化（如隔膜宽度、电解液注液量等），改进工艺手段（如低气压注液法、离心装壳法等），做好工艺控制，保证工艺质量，缩小产品间的差异；在对安全有影响到关键步骤设置特殊工步（如去极片毛刺、扫粉、对不同的材料采用不同的焊接方法等），实施标准化质量监控，消除缺陷部位，排除有缺陷产品（如极片变形、隔膜刺破、活性材料脱落和电解液泄漏等）；保持生产场所的整洁、清洁，实施5S管理和6-sigma质量控制，防止生产中混入杂质和水分，尽量减少生产中的意外情况对安全性的影响。
16路5V10A锂电池检测分容均衡仪应用实例
锂离子电池安全检测指标
锂离子电池生产出来后，在到达消费者手中之前，还需要进行一系列检测，以尽量保证电池的安全性，降低安全隐患。
1、挤压测试：将充满电的电池放在一个平面上，由油压缸施与13±1KN的挤压力，由直径为32mm的钢棒平面挤压电池，一旦挤压压力到达最大停止挤压，电池不起火，不爆炸即可。
2、撞击测试：电池充满电后，放置在一个平面上，将直径15.8mm的钢柱垂直置于电池中心，将重量9.1kg的重物从610mm的高度自由落到电池上方的钢柱上。电池不起火、不爆炸即可。
3、过充测试：将电池用1C充满电，按照3C过充10V进行过充试验，当电池过充时电压上升到一定电压时稳定一段时间，接近一定时间时电池电压快速上升，当上升至一定限度时，电池高帽拉断，电压跌至0V，电池没有起火、爆炸即可。
4、短路测试：将电池充满电后用电阻不大于50mΩ的导线将电池正负极短路，测试电池的表面温度变化，电池表面最高温度为140℃，电池盖帽拉开，电池不起火、不爆炸。
5、针刺测试：将充满电的电池放在一个平面上，用直径3mm的钢针沿径向将电池刺穿。测试电池不起火、不爆炸即可。（据说已经取消）
6、温度循环测试：锂离子电池温度循环试验是用来模拟锂离子电池在运输或贮存过程中，反复暴露在低温和高温环境下，锂离子电池的安全性，试验是利用迅速和极端的温度变化进行的。试验后样品应不起火、不爆炸、不漏液。
8路5V20A锂电池检测分容均衡仪应用实例
四种锂电池安全性的比较
1）三元锂电池
镍钴锰酸锂（三元）电池
在实际可用的理论比能量上有极大的提高，相对于与钴酸锂电池而言，可以更好的发挥高容量作用，但从材料上看，三元电池采用镍钴锰酸锂和有机电解液，暂未从根本上解决安全性问题，如果电池发生短路产生过大电流，从而引发安全隐患。
2）磷酸铁锂电池
理论容量是170mAh/g，做成材料的实际可达容量为160mAh/g。在安全性上，磷酸铁锂热稳定高，电解液氧化能力低，因而安全性高；但缺陷是电导率低，体积过大，电解液用量多，由于容量大，电池的一致性较差。
3）锰酸锂电池
锰酸锂电池的材料具有一定的有点，它可以保证在满电状态下，正极的锂离子可以完全嵌入到负极炭孔中，而不是像钴酸锂那样在正极有一定残留，这就从根本上避免了枝晶的产生，理论上是这样，实际上，锰酸锂电池如果遭遇强大外力作用或者在制备过程中偷工减料都可能造成电池在充放电循环过程中瞬间形成锂离子快速移动。在负极来不及完全接收锂离子的情况下形成枝晶。避免这一后果要从电池出厂时的测试来保证。总之，检测合格的锰酸锂电池一般不会发生安全事故，锰酸锂稳固的结构使其氧化性能远低于钴酸锂，即使外部短路，也基本能避免析出金属锂引发的燃烧和爆炸。
4）钴酸锂
钴酸锂电池主要用于制造手机和笔记本电脑及其它便携式电子设备的锂离子电池作正极材料。钴酸锂电池结构稳定、比容量高、综合性能突出、但是其安全性差、成本非常高，主要用于中小型号电芯，广泛应用于笔记本电脑、手机、MP3/4等小型电子设备中，标称电压3.7V。
钴酸锂电池的优点：
1、电化学性能优越；
2、加工性能优异；
3、振实密度大，有助于提高电池体积比容量；
4、产品性能稳定，一致性好。
钴酸锂电池的缺点：
1、安全性差；
2、成本非常高；
3、循环寿命一般，材料稳定性不太好。
12V-72V锂电池整组充放电容量测试仪
切莫过充过放
对于新买的锂离子电池的"激活"问题，众多的说法是：充电时间一定要超过12小时，反复做三次，以便激活电池。这种"前三次充电要充12小时以上"的说法，明显是从镍电池（如镍镉和镍氢）延续下来的说法。所以这种说法，可以说一开始就是误传。锂电池和镍电池的充放电特性有非常大的区别，而且可以非常明确的告诉大家，所有严肃的正式技术资料都强调过充和过放电会对锂电池、特别是液体锂离子电池造成巨大的伤害。因而充电最好按照标准时间和标准方法充电，特别是不要进行超过12个小时的超长充电。
那么锂电池需要激活吗？答案是肯定的，需要激活！但是，这个过程是由生产厂家完成的，与用户无关，用户也没有能力完成。锂电池真正的激活过程是这样的：锂离子电池壳灌输电解液--封口--化成，就是恒压充电，然后放电，如此进行几个循环，使电极充分浸润电解液充分活化，直至容量达到要求为止，这个就是激活过程--分容，也就是说出厂后锂离子电池到用户手上已经是激活过的了。另外，其中有些电池的激活过程需要电池处于开口状态，激活以后再封口，除非您拥有了电芯生产设备，否则如何完成？
可是为什么有些产品的说明书上写着，建议用户前三次使用，要对手机进行完全的充放电呢？难道这不是激活吗？其实事实是这样的，在电池出厂，然后销售，再到用户的手中，会经历一段时间，一个月或者几个月，这样一来，电池的电极材料就会"钝化"，此时容量低于正常值，使用时间亦随之缩短。但锂电池很容易激活，只要经过3-5次正常的充放电循环就可激活电池，恢复正常容量。由于锂电池本身的特性，决定了它几乎没有记忆效应。因此用户新锂电池在激活过程中，是不需要特别的方法和设备的。
1）长充、深充的危险
长充可能导致过充。锂电池或充电器在电池充满后都会自动停充，并不存在镍电充电器所谓的持续10几小时的"涓流"充电。也就是说，如果你的锂电池在充满后，放在充电器上也是白充。而我们谁都无法保证电池的充放电保护电路的特性永不变化和质量的万无一失，所以你的电池将长期处在危险的边缘徘徊。这也是我们反对长充电的另一个理由。
在对某些机器上，充电超过一定的时间后，如果不去取下充电器，这时系统不仅不停止充电，还将开始放电-充电循环。也许这种做法的厂商自有其目的，但显然对电池的寿命而言是不利的。同时，长充电需要很长的时间，往往需要在夜间进行，而以我国电网的情况看，许多地方夜间的电压都比较高，而且波动较大。锂电池是很娇贵的，它比镍电在充放电方面耐波动的能力差得多，于是这又带来附加的危险。
事实上，浅放浅充对于锂电更有益处，只有在产品的电源模块为锂电做校准时，才有深放深充的必要。所以，使用锂电供电的产品不必拘泥于过程，一切以方便为先，随时充电。
2）过充、过放的危害
锂离子电池的额定电压，因为近年材料的变化，三元一般为3.7V，磷酸铁锂（以下称磷铁）正极的则为3.2V。充满电时的终止充电电压一般是4.2V，磷铁3.65V。锂离子电池的终止放电电压为2.75V～3.0V(电池厂给出工作电压范围或给出终止放电电压，各参数略有不同，一般为3.0V，磷铁为2.5V)。低于2.5V（磷铁2.0V）继续放电称为过放，低电压的过放或自放电反应会导致锂离子活性物质分解破坏，并不一定可以还原。而锂离子电池任何形式的过充都会导致电池性能受到严重破坏，甚至爆炸。锂离子电池在充电过程必需避免对电池产生过充。
随着电子产品的普及和动力电池的发展，锂离子电池应用更加广泛。引起便携式电池的安全问题主要在于规范使用，尽量避免过充和过放，以及摔打，而动力电池在追求容量高、寿命长、价格低等高性能的同时，正极材料和使用环境引起的安全问题就更多一些。总之，一方面需要科研工作者开发新材料和新技术，进一步完善锂离子电池的安全技术，另一方面也需要消费者严格按照要求合理使用电子产品，以确保生命和财产的安全。
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