分析锂离子电池的安全隐患

　　本期关注：锂离子电池的安全隐患

　　6月19日，甘肃省金塔县一名电焊工人在作业时，手机电池突然爆炸，导致其肋骨断裂并刺破心脏而死亡。

　　此事引起广大手机使用者的疑惑和担忧。

　　而广东省工商行政管理局官员日前披露，标称摩托罗拉、诺基亚的手机电池在最近的一次抽查中，部分样品在安全测试时发生了爆炸或起火；另外一些标称知名品牌的手机电池充电器也存在严重的安全隐患。

　　手机居然变成“手雷”，爆炸伤人致死。前不久发生在甘肃的这起悲剧事件再度引发公众对锂离子电池安全性的关注。

　　与其他充电电池相比，锂离子电池具有电压高、比能量高、充放电寿命长、无记忆效应、无污染、快速充电、自放电率低等优点，1991年进入市场不久即获得消费者的青睐。现在，笔记本电脑、移动电话、

　　数码相机、MP3等数码产品大都配备了锂离子电池，目前它正快步进入电动工具和电动车辆等应用领域。但是，相关产业在高速发展的同时，锂离子电池的安全问题仍然困扰着人们。除了手机电池爆炸事件，近年来，笔记本电脑更是因为电池起火而多次被大规模召回。

　　锂离子电池为何爆炸起火

　　目前，手机、笔记本电脑等设备所用锂离子电池的主要构成部分包括：以钴酸锂为活性物质的正极，石墨为活性物质的负极，有机电解液，聚丙烯或聚乙烯隔膜等。

　　锂离子电池出现安全事故，主要是由电极和电解液间的化学反应引起。电解液的主要成分为碳酸酯，闪点很低、沸点也较低，在一定条件下会燃烧甚至爆炸。处于充电态的电池正极材料为强氧化性化合物，同时处于充电态的负极材料为强还原性化合物，如电池出现过热，会导致电解液中的碳酸酯被氧化和还原，产生大量气体和更多的热，如缺少安全阀或者气体来不及通过安全阀释放，电池内压便会急剧上升而引起爆炸。

　　此外，钴酸锂材料的理论比能量是超过每克270毫安时的，但为保证其循环性能，实际使用容量只有理论容量的一半。在使用过程中，如发生某些意外，比如管理系统损坏而导致电池充电电压过高，正极中剩余的一部分锂就会脱出，经电解液到负极表面以金属锂的形式沉积，而金属锂的表面电沉积极易形成“枝晶”，会刺穿隔膜，使正负极短路，导致电池迅速发热，引起安全事故。

　　另外，电池过充，导致高电压时正极加速氧化电解液，产生的热和气体也可能令电池热失控。

　　起火则主要由于电池壳体内部压力导致外壳破裂后，高温下的电极和电解液与空气接触，处于充电态的负极的活泼性接近金属锂，与氧接触会立即燃烧并引燃电解液、隔膜等。

　　规范的厂家有严格周密的安全设计

　　虽然电池安全事故令人心惊，但我们还是应该看到，2006年全球生产了超过20亿只锂离子电池芯，发生事故的仅仅是极少数，规范的电池生产厂家有严格、周密的安全设计。

　　首先，为了达到电池安全考核指标，需采用合格的正负极材料，并在设计上保证负极的过量。正常充放电情况下，锂离子在层状结构的负极和正极嵌入和脱出，一般不会引起晶体结构的破坏，也不会形成枝晶刺穿隔膜造成内部短路。

　　在生产过程中，厂家还要严格控制极片的一致性，防止正常充电时负极表面形成金属锂的沉积；同时采用具有热关闭特性的电池隔膜，在电池升温达到120℃的情况下，复合膜两侧的PE膜孔会闭合，电池内阻增大，升温会减缓；还要向电解液中加入防过充添加剂，在电池电压高于设定值的条件下，发生添加剂聚合，大幅增加电池内阻，降低发热量；电池还要有安全阀，内部压力大于一定值时，安全阀可以开启泄压等；另外，制造环境的控制也很重要，因为制造过程中引入的杂质、掉粉等也会导致电池出现安全问题。最后，每批电池芯还需要抽样作各项滥用试验的测试，如过充、热箱、针刺、挤压、温度冲击、外部短路、跌落等，充分考察其安全性能。

　　作为普通消费者，保险的做法是选择知名企业生产的产品，严格按照说明书上的要求使用，在电器或电池出现人为损坏或异常时，应向厂家售后服务人员求助而不是自己拆卸修理或凑合使用。可以说，掌握相关的知识并合理使用是消费者最有效的保障安全的方法。

　　技术进步会让未来的锂离子电池更安全

　　要提高锂离子电池的安全性，首先要提高锂离子电池芯的安全性能，这对大容量电池尤为重要。

　　一部手机用的锂离子电池重约20克，基本要求是发生安全事故的概率要小于百万分之一，这也是社会公众所能接受的最低标准(实际情况比千万分之一还要小)。

　　电动自行车所用锂离子电池组的重量为3～4公斤，比手机大了100多倍。另外，电动

　　摩托车所用锂离子电池重15～20公斤，混合电动汽车所用电池组重量为30～100公斤，纯电动小轿车则要用到300～400公斤重的蓄电池。如采用同样的材料和设计，一般情况下锂离子电池储存的总能量和其安全性是成反比的，随着电池容量的增加，电池体积也在增加，其散热性能变差，出事故的可能性将大幅增加。

　　我国刚开始开展锂离子电池电动车研发时，曾出现若干爆炸和燃烧的事故，采用钴酸锂作为电池的正极材料是一个主要的原因。后来，随着改性锰酸锂材料的成熟和使用，电池正极的氧化性降低了，同时锰酸锂电池充满电后正极几乎没有多余的锂，过充电时在负极形成锂枝晶的可能性也大幅度降低，我国单体10～30安时的车用高功率锂离子电池安全问题在“十五”期间得到了较好解决。近年来，新发展出的磷酸铁锂正极材料的氧化性更明显低于锰酸锂，从正极材料的角度来看，磷酸盐正极材料的应用将更有利于提高锂离子电池安全性。

　　但要注意安全性不仅仅是由正极材料决定的，负极材料、电解液隔膜材料和电池设计、制造、使用等方面的诸多问题仍需慎重考虑。

　　石墨仍然是当今锂离子电池主要的负极材料。石墨材料电池充满电时负极形成的LiC6的活泼性与金属锂很接近，加之石墨层间距小而晶粒体积大，其锂离子嵌入和脱出时所引起的晶粒体积变化也较大，大电流充放电时，表面固体电解质膜易破裂导致新的反应产生气体，做大容量电池还是不够安全，采用综合性能优良的炭基和氧化物基负极材料也是提高锂离子电池安全性的关键之一。此外，选用机械和热关闭性能更优的电池隔膜、发展阻燃型电解液、改进设计提高电池的散热能力等也是提高锂离子电池安全性的途径。

　　锂离子电池的使用也有严格的要求，消费者不要指望像买一次性使用的碱锰电池那样，在商店货架上就找到锂离子电池的“裸”芯。规范的电池芯生产商只会向经过授权的公司销售自己的电池芯，并由这些公司将电池芯封装成电池包出售。这些电池包内包含锂离子电池保护电路，该电路具有防止电池过充、过放、过热和过流的功能，电池包结合专用充电单元才能与特定的用电器配合，为消费者使用。

　　对电池芯的安全测试应提出更科学的要求

　　值得一提的是，我们还应该对电池芯的安全测试提出更科学的要求来为它的安全性能把关。目前世界上有多个关于锂电池的标准涉及安全检测的内容，如UL1642(美国UL实验室)、ICE(国际电工委员会)、JIS(日本国家标准)、IEEE(美国电气及电子工程师学会)的相关标准。这些标准的检测项目相似，但测试条件又不同，各个国家标准不一致，行业标准之间也有差异，多数是一些基本要求，缺少与实际应用相关联的具体指引，具体执行起来比较困难。

　　去年，电脑电池大规模召回后，国际上主要的电脑和电池生产商开始制定更科学、更完善的标准，车用大容量电池的安全标准也在进一步完善中。

　　随着材料技术的进步和人们对锂离子电池设计、制造、检测和使用诸方面要求的认识不断加深，未来的锂离子电池会变得更安全。