锂離子(zǐ)電(diàn)池特性  

    锂是化(huà)學周期表上(shàng)直徑最小(xiǎo)也最活潑的(de)金(jīn)屬。體(tǐ)積小(xiǎo)所以容量密度高(gāo)，廣受消費(fèi)者與工(gōng)程師(shī)歡迎。但(dàn)是，化(huà)學特性太活潑，則帶來(lái)了極高(gāo)的(de)危險性。锂金(jīn)屬暴露在空氣中時(shí)，會與氧氣産生(shēng)激烈的(de)氧化(huà)反應而爆炸。為(wèi)了提升安全性及電(diàn)壓，科(kē)學家(jiā)們發明(míng)了用石墨及钴酸锂等材料來(lái)儲存锂原子(zǐ)。這(zhè)些材料的(de)分子(zǐ)結構，形成了奈米等 級的(de)細小(xiǎo)儲存格子(zǐ)，可用來(lái)儲存锂原子(zǐ)。這(zhè)樣一來(lái)，即使是電(diàn)池外(wài)殼破裂，氧氣進入，也會因氧分子(zǐ)太大，進不了這(zhè)些細小(xiǎo)的(de)儲存格，使得锂原子(zǐ)不會與氧氣接觸而 避免爆炸。锂離子(zǐ)電(diàn)池的(de)這(zhè)種原理(lǐ)，使得人(rén)們在獲得高(gāo)容量密度的(de)同時(shí)，也達到安全的(de)目的(de)。  

锂離子(zǐ)電(diàn)池充電(diàn)時(shí)，正極的(de)锂原子(zǐ)會喪失電(diàn)子(zǐ)，氧化(huà)為(wèi)锂離子(zǐ)。锂離子(zǐ)經由電(diàn)解液遊到負極去(qù)，進入負極的(de)儲存格，并獲得一個(gè)電(diàn)子(zǐ)，還(hái)原為(wèi)锂原子(zǐ)。放(fàng)電(diàn)時(shí)，整個(gè) 程序倒過來(lái)。為(wèi)了防止電(diàn)池的(de)正負極直接碰觸而短路(lù)，電(diàn)池內(nèi)會再加上(shàng)一種擁有(yǒu)衆多細孔的(de)隔膜紙，來(lái)防止短路(lù)。好(hǎo)的(de)隔膜紙還(hái)可以在電(diàn)池溫度過高(gāo)時(shí)，自(zì)動關閉細孔，讓锂離子(zǐ)無法穿越，以自(zì)廢武功，防止危險發生(shēng)。

保護措施  

    锂電(diàn)池芯過充到電(diàn)壓高(gāo)于4.2V後，會開(kāi)始産生(shēng)副作(zuò)用。過充電(diàn)壓愈高(gāo)，危險性也跟着愈高(gāo)。锂電(diàn)芯電(diàn)壓高(gāo)于4.2V後，正極材料內(nèi)剩下(xià)的(de)锂原子(zǐ)數量不到一半，此時(shí)儲存格常會垮掉，讓電(diàn)池容量産生(shēng)永久性的(de)下(xià)降。如果繼續充電(diàn)，由于負極的(de)儲存格已經裝滿了锂原子(zǐ)，後續的(de)锂金(jīn)屬會堆積于負極材料表面。這(zhè)些锂原子(zǐ)會由負極表面往锂離子(zǐ)來(lái)的(de)方向長(cháng)出樹枝狀結晶。這(zhè)些锂金(jīn)屬結晶會穿過隔膜紙，使正負極短路(lù)。有(yǒu)時(shí)在短路(lù)發生(shēng)前電(diàn)池就先爆炸，這(zhè)是因為(wèi)在過充過程，電(diàn)解液等材料會裂解産生(shēng)氣體(tǐ)，使得電(diàn)池外(wài)殼或壓力閥鼓漲破裂，讓氧氣進去(qù)與堆積在負極表面的(de)锂原子(zǐ)反應，進而爆炸。因此，锂電(diàn)池充電(diàn)時(shí)，一定要設定電(diàn)壓上(shàng)限，才可以同時(shí)兼顧到電(diàn)池的(de)壽命、容量、和(hé)安全性。最理(lǐ)想的(de)充電(diàn)電(diàn)壓上(shàng)限為(wèi)4.2V。  锂電(diàn)芯放(fàng)電(diàn)時(shí)也要有(yǒu)電(diàn)壓下(xià)限。當電(diàn)芯電(diàn)壓低(dī)于2.4V時(shí)，部分材料會開(kāi)始被破壞。又(yòu)由于電(diàn)池會自(zì)放(fàng)電(diàn)，放(fàng)愈久電(diàn)壓會愈低(dī)，因此，放(fàng)電(diàn)時(shí)最好(hǎo)不要放(fàng)到 2.4V才停止。锂電(diàn)池從(cóng)3.0V放(fàng)電(diàn)到2.4V這(zhè)段期間(jiān)，所釋放(fàng)的(de)能量隻占電(diàn)池容量的(de)3%左右。因此，3.0V是一個(gè)理(lǐ)想的(de)放(fàng)電(diàn)截止電(diàn)壓。  

    充放(fàng)電(diàn)時(shí)，除了電(diàn)壓的(de)限制，電(diàn)流的(de)限制也有(yǒu)其必要。電(diàn)流過大時(shí)，锂離子(zǐ)來(lái)不及進入儲存格，會聚集于材料表面。這(zhè)些锂離子(zǐ)獲得電(diàn)子(zǐ)後，會在材料表面産生(shēng)锂原子(zǐ)結晶，這(zhè)與過充一樣，會造成危險性。萬一電(diàn)池外(wài)殼破裂，就會爆炸。  

因此，對(duì)锂離子(zǐ)電(diàn)池的(de)保護，至少要包含：充電(diàn)電(diàn)壓上(shàng)限、放(fàng)電(diàn)電(diàn)壓下(xià)限、及電(diàn)流上(shàng)限三項。一般锂電(diàn)池組內(nèi)，除了锂電(diàn)池芯外(wài)，都(dōu)會有(yǒu)一片保護闆，這(zhè)片保護闆主要就是提供這(zhè)三項保護。但(dàn)是，保護闆的(de)這(zhè)三項保護顯然是不夠的(de)，全球锂電(diàn)池爆炸事(shì)件(jiàn)還(hái)是頻(pín)傳。要确保電(diàn)池系統的(de)安全性，必須對(duì)電(diàn)池爆炸的(de)原因，進行更仔細的(de)分析。

  爆炸類型分析  

    電(diàn)池芯爆炸的(de)類形可歸納為(wèi)外(wài)部短路(lù)、內(nèi)部短路(lù)、及過充三種。此處的(de)外(wài)部系指電(diàn)芯的(de)外(wài)部，包含了電(diàn)池組內(nèi)部絕緣設計(jì)不良等所引起的(de)短路(lù)。  

當電(diàn)芯外(wài)部發生(shēng)短路(lù)，電(diàn)子(zǐ)組件(jiàn)又(yòu)未能切斷回路(lù)時(shí)，電(diàn)芯內(nèi)部會産生(shēng)高(gāo)熱，造成部分電(diàn)解液汽化(huà)，将電(diàn)池外(wài)殼撐大。當電(diàn)池內(nèi)部溫度高(gāo)到135攝氏度時(shí)，質量好(hǎo)的(de)隔膜紙，會将細孔關閉，電(diàn)化(huà)學反應終止或近(jìn)乎終止，電(diàn)流驟降，溫度也慢(màn)慢(màn)下(xià)降，進而避免了爆炸發生(shēng)。但(dàn)是，細孔關閉率太差，或是細孔根本不會關閉的(de)隔膜紙，會讓電(diàn)池溫度繼續升高(gāo)，更多的(de)電(diàn)解液汽化(huà)，最後将電(diàn)池外(wài)殼撐破，甚至将電(diàn)池溫度提高(gāo)到使材料燃燒并爆炸內(nèi)部短路(lù)主要是因為(wèi)銅箔與鋁箔的(de)毛刺穿破隔膜， 或是锂原子(zǐ)的(de)樹枝狀結晶穿破膈膜所造成。這(zhè)些細小(xiǎo)的(de)針狀金(jīn)屬，會造成微(wēi)短路(lù)。由于，針很(hěn)細有(yǒu)一定的(de)電(diàn)阻值，因此，電(diàn)流不見得會很(hěn)大。

 銅鋁箔毛刺系在生(shēng)産過 程造成，可觀察到的(de)現(xiàn)象是電(diàn)池漏電(diàn)太快，多數可被電(diàn)芯廠(chǎng)或是組裝廠(chǎng)篩檢出來(lái)。而且，由于毛刺細小(xiǎo)，有(yǒu)時(shí)會被燒斷，使得電(diàn)池又(yòu)恢複正常。因此，因毛刺微(wēi)短路(lù)引發爆炸的(de)機(jī)率不高(gāo)。      這(zhè)樣的(de)說(shuō)法，可以從(cóng)各電(diàn)芯廠(chǎng)內(nèi)部都(dōu)常有(yǒu)充電(diàn)後不久，電(diàn)壓就偏低(dī)的(de)不良電(diàn)池，但(dàn)是卻很(hěn)少發生(shēng)爆炸事(shì)件(jiàn)，得到統計(jì)上(shàng)的(de)支持。因此，內(nèi)部短路(lù)引發的(de)爆炸，主要還(hái)是因為(wèi)過充造成的(de)。因為(wèi)，過充後極片上(shàng)到處都(dōu)是針狀锂金(jīn)屬結晶，刺穿點到處都(dōu)是，到處都(dōu)在發生(shēng)微(wēi)短路(lù)。因此，電(diàn)池溫度會逐漸升高(gāo)，最後高(gāo)溫将電(diàn)解液氣體(tǐ)。 這(zhè)種情形，不論是溫度過高(gāo)使材料燃燒爆炸，還(hái)是外(wài)殼先被撐破，使空氣進去(qù)與锂金(jīn)屬發生(shēng)激烈氧化(huà)，都(dōu)是爆炸收場(chǎng)。  

但(dàn)是過充引發內(nèi)部短路(lù)造成的(de)這(zhè)種爆炸，并不一定發生(shēng)在充電(diàn)的(de)當時(shí)。有(yǒu)可能電(diàn)池溫度還(hái)未高(gāo)到讓材料燃燒、産生(shēng)的(de)氣體(tǐ)也未足以撐破電(diàn)池外(wài)殼時(shí)，消費(fèi)者就終止充電(diàn)，帶手機(jī)出門。這(zhè)時(shí)衆多的(de)微(wēi)短路(lù)所産生(shēng)的(de)熱，慢(màn)慢(màn)的(de)将電(diàn)池溫度提高(gāo)，經過一段時(shí)間(jiān)後，才發生(shēng)爆炸。消費(fèi)者共同的(de)描述都(dōu)是拿(ná)起手機(jī)時(shí)發現(xiàn)手機(jī)很(hěn)燙，扔掉後就爆炸。  

    綜合以上(shàng)爆炸的(de)類型，我們可以将防爆重點放(fàng)在過充的(de)防止、外(wài)部短路(lù)的(de)防止、及提升電(diàn)芯安全性三方面。其中過充防止及外(wài)部短路(lù)防止屬于電(diàn)子(zǐ)防護，與電(diàn)池系統設計(jì)及電(diàn)池組裝有(yǒu)較大關系。電(diàn)芯安全性提升之重點為(wèi)化(huà)學與機(jī)械防護，與電(diàn)池芯制造廠(chǎng)有(yǒu)較大關系。

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