锂电池为什么会爆炸?
锂(Li)是原素周期表上直径最小、也是最活泼的金属,正因为他有这些特性,所以广受聪明的科学家和工程师们青睐。不过,这也是一把双刃剑,锂金属暴露在空气中,会与空气中的氧气发生激烈的氧化反应而爆炸。所以日常电极材料中,我们通常用合金材料和石墨来储存锂原子,这些材料就像一个一个的小储物格子,锂原子就躺在里面,而较大的氧分子,进不去到里面,他们的反应也就不会发生,避免爆炸,从而实现安全的目的。
常见爆炸原因
引起锂电池爆炸的常见原因有以下几张:
1、原材料、来料存在严重的质量问题,主要是电解液的质量;
2、极片吸水,水与电解液反应,产生大量的气体和热;
3、注液量偏少,充放电内阻较大,影响锂离子传输;
4、盖板焊接、封口工序不良,密封性能差,存在漏气,外部水分进入;
5、内部微短路,主要是粉尘毛刺,多来源于极片裁切掉料和切刀毛刺;
6、电流过大,负极不能接纳更多的锂离子,形成枝晶,刺穿隔膜短路;
7、电池过充,材料结构坍塌,锂枝晶形成刺穿隔膜。
爆炸类型分析
锂离子电池的爆炸类型,主要分为短路和过充,短路又分为内部短路和外部短路。
咱先说说外部短路,原理很简单,一个导电的物质,从电池外部同时联通了正极和负极。发生外部短路的时候,电流变大,电池内部开始产热,当热量变大,电解液会分解,产生大量气体,电池鼓胀。我们说到很多隔膜有闭孔的功能,达到一定温度隔膜会闭孔,阻止锂离子的传输,从而阻断化学反应,电流降下来,温度也慢慢下降,从而避免了电池爆炸。当然,以上只是基于质量良好的隔膜。
内部短路主要是因为铜箔与铝箔的毛刺穿破隔膜,或是锂原子的树枝状结晶穿破膈膜所造成。这些细小的针状金属,会造成微短路。由于很细有一定的电阻值,因此,电流不见得会很大。铜铝箔毛刺会在生产过程造成,可观察到的现象是电池漏电、自放电快,多数可被短路测试仪检测出来。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不高。毛刺主要来源于分切,激光切少有毛刺。而枝晶来源就多了,大电流、析锂等等都会造成。
过充造成的爆炸,是比较常见的。电池过充后极片上到处都是针状锂金属结晶,刺穿点到处都是,到处都在发生微短路。因此,电池温度会逐渐升高,最后高温将电解液气体化。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,都是爆炸!!!但是过充引发内部短路造成的这种爆炸,并不一定发生在充电的当时。我们以常见的手机电池分析,还有这样一种情况,电池温度还未高到让材料燃烧、产生的气体也未足以撑破电池外壳时,我们就终止充电,带手机出门。这时众多的微短路所产生的热,慢慢的将电池温度提高,经过一段时间后,才发生爆炸。消费者共同的描述都是拿起手机时发现手机很烫,扔掉后就爆炸。虽然现在很多都有自动断电功能,但还是温馨提示,尽量不要长时间充电。
保护机制
无论是充电,还是放电,我们都有一个衡量标准,通常使用的是以电压来停止。以镍钴锰酸锂配石墨负极的三元电池为例,当电池充电电压高于4.2V时,危险也会悄悄到来,电压越高,危险性越高。因为当电压高于4.2V时候,正极材料里面的锂原子数量减少,储存原子的结构就会坍塌,并且是永久性的是不可逆的。如果继续充电,那么负极已经塞满了锂离子情况下,锂离子就会在负极表面与电子生成锂金属,也就是我们说的枝晶,这些枝晶会刺穿隔膜,使正负极短路。过充还会让温度升高,温度超过180℃,电解液会分解,产生大量的气体和热量,壳体会膨胀,破裂后,氧气进入与锂金属发生剧烈反应也会爆炸。所以充电电压上限是一个保护措施。
锂电池放电时也要有电压下限。当电芯电压低于2.4V时,部分材料会开始被破坏。又由于电池会自放电,放愈久电压会愈低,因此,放电时最好不要放到2.4V才停止。锂电池从3.0V放电到2.4V这段期间,所释放的能量只占电池容量的3%左右。通常,我们三元电池选用3.0V作为一个理想的放电截止电压。所以不要过放是另一个保护措施。
除了刚才说的充电截止电压、放电截止电压以外,我们还用电流来保护电池,也就是我们常关注的倍率性能。大电流对电池的伤害主要表现为,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。万一电池外壳破裂,就会爆炸。
最后一道防线
通常我们的电池,无论是手机还是动力电池,都有一个电池管理系统(或软件),以及一个电池保护电路板,在电池充电和放电时,监控电池的电压,防止过充、过放、大电流的产生。如果以上都不能实现电池的防护,避免不了爆炸的发生,那就只有通过自损来降低伤害了。这些就需要电芯来提供了,比如电芯的防爆阀、防过充的Fuse配合SSD翻转片,切断电流,泄压来达到降低电池爆炸的风险。