锂离子电池安全性分析与预防方法【钜大锂电】

一、锂离子电池的结构与工作原理

所谓锂离子电池是由两个可嵌入与可脱嵌锂离子的材料作为电池的正极与负极，实现可多次充放电功能的二次电池。锂离子电池是依靠锂离子在正负极之间的转移来完成电池充放电工作。

锂离子电池工作原理锂电池充放电过程

当电池充电时，锂离子脱离正极嵌入到负极中，放电时方向正好相反。这样就需要正极在制作前就处于嵌锂状态，常规会选用相对锂而言电位大于3V且在空气中稳定的锂化合物，如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiFePO4、LiNi4Co4Mn2等化合物。

负极材料常规会选择电位尽可能接近锂电位的可嵌入锂离子的物质，如石墨、碳纤维、石墨烯、钛酸锂等。

电解质常规采用LiPF6的乙烯碳酸脂（EC）、丙烯碳酸脂（PC）和低粘度二乙基碳酸脂（DEC）等烷基碳酸脂搭配的混合溶剂体系。

隔膜采用聚烯微多孔膜如PE、PP或它们复合膜，尤其是PP/PE/PP三层隔膜不仅熔点较低，而且具有较高的抗穿刺强度，起到了热保险作用。

外壳采用钢或铝材料，正极盖体组件具有防爆断电的安全保护功能。

锂离子电池结构示意图

相对于其他类型的电池产品，锂电池具有重量轻、容量大、无记忆效应等优点，在数码设备、小型电动工具及大型储能设备及新能源动力电池都采用锂离子电池作储能装置，锂离子电池的能量密度高，容量是同重量的镍氢电池的1.5~2倍，而且具有很低的自放电率；此外，锂离子电池几乎没有“记忆效应”及不含有毒物质。

二、锂电池设计时所采取的基本安全措施

根据锂电池材料体系的不同，锂电池充电时电压高于锂电池的极限电压后，便开始产生副作用，过充电压越高，危险性也跟着越高。锂电芯电压高于极限电压后，正极材料内剩下的锂离子数量不到一半，此时储存格会垮掉，让电池容量产生永久性的下降。如果继续充电，由于负极的储存格已经装满了锂离子，后续的锂离子会堆积于负极材料表面长出枝状结晶，这些锂结晶会刺穿隔膜，使正负极短路。有时在短路发生前电池就可能已经爆炸，这是因为在过充过程，电解液等材料会裂解产生气体，使电池外壳或压力阀鼓涨破裂，空气中的氧气与堆积在负极表面的锂原子发生反应爆炸。因此，锂电池充电时，一定要设定电压上限，才可以同时兼顾到电池的寿命、容量和安全性。

锂电芯放电时也要有电压下限，当电芯电压低于极限电压时，部分材料会开始被破坏。同时因为锂电池本身会自放电，放置时间越久电压会越低。因此在设计锂电池时，放电截至电压的设定会充分考虑这些因素，锂电池从截止放电电压到安全电压这段期间，所释放的能量只占电池容量的3%-5%左右。

充放电时，除了电压的限制，电流的限制也非常必要。电流过大时，锂离子来不及进入储存格，会聚集于材料表面。这些锂离子获得电子后，会在材料表面产生锂原子结晶，这与过充一样，会造成危险性。

因此，对锂离子电池的保护，至少要包含：充电电压上限、放电电压下限、及电流上限三项。一般锂电池组内，除了锂电芯外，都会有一片保护板或者功能丰富的BMS电池管理系统。

三、电池可能的爆炸原因分析

锂电芯爆炸的原因可能是外部短路、内部短路及过充，包含电池组内部绝缘设计不良等所引起的短路。

内部短路主要是因为分切不良的铜箔与铝箔的毛刺刺穿隔膜，或是由于过充原因形成的锂枝状结晶刺穿膈膜所造成。细小极片毛刺会造成微短路，因为毛刺很细有一定的电阻值，因此，电流不见得会很大。

铜、铝箔毛刺是在生产过程中因为分切不良造成，可检测到的现象是电芯自放电太快，大多数情况下可以在后端筛选时检测出来。而且由于毛刺细小，有时会被烧断，使得电池又恢复正常。因此，因毛刺微短路引发爆炸的机率并不高。

二次元影像仪

力朗电池（PLB）通过在线检测设备“二次元影像观测仪“可有效检测极片毛刺情况，二次元影像仪能将图像放大500倍，能清晰判断毛刺情况。

内部短路引发的爆炸，主要还是因为过充原因造成。因为，过充后极片上到处都是锂枝结晶，刺穿点到处都是，到处都发生微短路。因此，电池温度会逐渐升高，最后高温将电解液气化。这种情形，不论是温度过高使材料燃烧爆炸，还是外壳先被撑破，使空气进去与锂金属发生激烈氧化，都会爆炸。

综合以上爆炸的类型，我们可以将防爆重点放在过充的防止、外部短路的防止及提升电芯安全性三方面。其中过充防止及外部短路防止属于电子防护，属于电池组系统设计及电池组装有较大关系；电芯安全性的提升重点是化学与结构设计防护，与电池芯的设计与制造过程品质控制有较大关系。

四、设计规范涉及的几个方面

电池保护板或BMS电池管理系统硬件冗余设计，预防电子元器件失效而引起的整个保护系统失效。电池管理系统如能对过充、过放、过流都分别提供两道安全防护，此外为了提升BMS系统的可靠性，力朗电池的BMS产品须经过高温老化处理，提供ESD、浪涌防护及防潮防尘这些基本功能。

在电动汽车电池系统中，BMS电池管理系统不担要提过过充、过放、过流保护功能，还要对庞大的电池系统的运行状态进行监控与管理。为了保证电池工作在相同的温度环境下，BMS还要监控所有电芯的工作温度，具备热平衡功能，高效水冷电池模组可将电池工作温度有效控制在25±2℃。此外为了提升车辆电池安全性，BMS集成落水监测、烟雾监测、碰撞监测、翻车监测、远程报警及自动灭火等安全功能。

锂电芯在生产制造时会严格控制正极、负极、隔膜、电解液等主要原材料的品质，从电芯结构设计到电芯生产制造整个过程，都须经过严格的品质控制与在线检测监控程序，来保证锂电芯的高品质，通过严格的后端筛选与批次的破坏性检验，来保证每一颗出厂电芯的品质都符合品质要求，保证在过充、过放、过流、振动、机械冲击、跌落、挤压、翻转、碰撞、刺穿等情况下符合品质标准要求。

总之，电池系统设计时，必须对过充、过放与过流分别提供两道电子防护。其中保护板或BMS电池管理系统是第二道防护,如果没有外部保护的情况，电池发生爆炸就代表设计不良。

五、锂电芯的品质成为关键

如果外部保护失败，对锂电芯品质提出更高的要求。电池如果在爆炸前，内部有锂原子堆积在材料表面，燃烧爆炸的威力会更大。所以锂电芯抗过充能力比抗外部短路的能力显得更为重要。

电芯抗外部短路的方法，通常包括使用高质量的隔膜纸和采用压力阀两种措施。其中高质量的隔膜效果最好，外部短路时超过百分之九十九的电池不会发生爆炸。力朗电池所生产的锂电芯，每批次须经过过充、过放、过流等检测试验，因为备有先进的设计理念及高度自动化的生产制造能力，力朗电池的品质检测合格率目前达到100%。