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深度解析鋰離子電池相關(guān)安全問(wèn)題

鉅大鋰電  |  點(diǎn)擊量:0  |  2021年05月14日  

我們現(xiàn)在生活中使用最多的手機(jī)內(nèi)部安裝的是鋰離子電池,造成鋰離子電池爆炸的原因重要有六大方面:


一.外部短路


外部短路可能由于操作不當(dāng),或誤使用所造成,由于外部短路,電池放電電流很大,會(huì)使電芯的發(fā)熱,高溫會(huì)使電芯內(nèi)部的隔膜收縮或完全壞壞,造成內(nèi)部短路,因而爆炸。外部短路可能的工位:


上電芯未對(duì)好,造成正負(fù)極接觸;


電芯在周轉(zhuǎn)過(guò)程中打火;


用戶在使用時(shí)正負(fù)極短路;


保護(hù)線路板失效。


二.內(nèi)部短路


由于內(nèi)部出現(xiàn)短路現(xiàn)象,電芯大電流放電,出現(xiàn)大量的熱,燒壞隔膜,而造成更大的短路現(xiàn)象,這樣電芯就會(huì)出現(xiàn)高溫,使電解液分解成氣體,造成內(nèi)部壓力過(guò)大,當(dāng)電芯的外殼無(wú)法承受這個(gè)壓力時(shí),電芯就會(huì)爆炸。內(nèi)部短路的工位:


正負(fù)裁大片毛刺;正負(fù)極分小片掉料;負(fù)極鉚焊未拍平,有毛刺;


卷繞不齊;上部膠位置不對(duì);高溫膠紙包住負(fù)極耳;貼底部膠未完全包住底部;


隔膜紙有砂眼;烘烤時(shí)溫度太高烘壞隔膜;


壓扁時(shí)壓力太大;


組裝短路電芯未檢出;組裝微短路電芯下流;激光焊短路電芯未檢出;


三.過(guò)充


電芯過(guò)充電時(shí),正極的鋰過(guò)度放出會(huì)使正極的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,而放出的鋰過(guò)多也容易無(wú)法插入負(fù)極中,也容易造成負(fù)極表面析鋰,而且,當(dāng)電壓達(dá)到4.5V以上時(shí),電解液會(huì)分解生產(chǎn)大量的氣體。上面種種均可能造成爆炸。過(guò)充可能的工位:


預(yù)充時(shí)電流設(shè)置過(guò)大;預(yù)充柜個(gè)別點(diǎn)電流過(guò)大;檢測(cè)時(shí)電流設(shè)置過(guò)大;


電芯容量不足;


檢測(cè)時(shí)個(gè)別點(diǎn)電壓偏大;用戶使用時(shí)充電器電壓偏大。


四.過(guò)放


五.水份含量過(guò)高


水份可以和電芯中的電解液反應(yīng),生產(chǎn)氣體,充電時(shí),可以和生成的鋰反應(yīng),生成氧化鋰,使電芯的容量損失,易使電芯過(guò)充而生成氣體,水份的分解電壓較低,充電時(shí)很容易分解生成氣體,當(dāng)這一系列生成的氣體會(huì)使電芯的內(nèi)部壓力增大,當(dāng)電芯的外殼無(wú)法承受時(shí),電芯就會(huì)爆炸。


六.負(fù)極容量不足


當(dāng)正極部位對(duì)面的負(fù)極部位容量不足,或是根本沒(méi)有容量時(shí),充電時(shí)所出現(xiàn)的部分或全部的鋰就無(wú)法插入負(fù)極石墨的間層結(jié)構(gòu)中,會(huì)析在負(fù)極的表面,形成突起狀枝晶,而下一次充電時(shí),這個(gè)突起部分更容易造成鋰的析出,經(jīng)過(guò)幾十至上百次的循環(huán)充放電后,枝晶會(huì)長(zhǎng)大,最后會(huì)刺穿隔膜紙,使內(nèi)部出現(xiàn)短路。負(fù)極容量不足的工位:


正極來(lái)料容量偏高;正負(fù)極攪拌不均;正極敷料量偏大;正極涂布不均;正極頭尾部堆料;


負(fù)極來(lái)料容量偏低;負(fù)極涂布不均;負(fù)極暗痕;負(fù)極劃痕;負(fù)極凹點(diǎn);負(fù)極露箔;負(fù)極顆粒;負(fù)極壓片時(shí)壓死;正負(fù)極分檔配對(duì)錯(cuò)誤;負(fù)極包不住正極;


電池的爆炸原因可能對(duì)很多人來(lái)說(shuō)比較難理解,大家并不明白什么樣的行為可能會(huì)導(dǎo)致電池的爆炸,在給手機(jī)充電過(guò)程中也不會(huì)意識(shí)到什么樣的行為是錯(cuò)誤的操作,會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn),下面介紹幾個(gè)鋰離子電池使用注意的小細(xì)節(jié),希望能夠根據(jù)指導(dǎo)準(zhǔn)確充電與使用手機(jī):


手機(jī)的使用已經(jīng)廣泛的深入我們的生活,但是關(guān)于另外一類(lèi)新能源汽車(chē),有人可能會(huì)充滿疑問(wèn),新能源汽車(chē)究竟是什么?它是使用電池的嗎?汽車(chē)中的電池安全嗎?接下來(lái)一一解惑:


一.新能源汽車(chē)是什么?


新能源汽車(chē)是指除汽油、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)之外所有其它能源汽車(chē).包括燃料動(dòng)力電池汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)、氫能源動(dòng)力汽車(chē)和太陽(yáng)能汽車(chē)等。其廢氣排放量比較低。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),全世界現(xiàn)有超過(guò)400萬(wàn)輛液化石油氣汽車(chē),100多萬(wàn)輛天然氣汽車(chē)。目前我國(guó)市場(chǎng)上在售的新能源汽車(chē)多是混合動(dòng)力汽車(chē)和純電動(dòng)汽車(chē)。重要有以下三類(lèi),


電動(dòng)汽車(chē)是目前市面上可見(jiàn)的、有機(jī)會(huì)取代傳統(tǒng)汽、機(jī)車(chē)的新型交通工具。傳統(tǒng)車(chē)輛的動(dòng)力來(lái)源是汽油或柴油引擎,除引擎本體外,還要油箱、油泵、過(guò)濾器、空氣濾清器、化油器、噴嘴與點(diǎn)火裝置等組件,同時(shí)排氣管裝有消音器,而且水冷式引擎還要冷卻水系統(tǒng)。相比較之下,電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)顯得較為單純。


二.新能源汽車(chē)中的電池


目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的電動(dòng)汽車(chē),其動(dòng)力系統(tǒng)分為兩種,一種是采用蓄電池系統(tǒng)的電動(dòng)汽車(chē),重要的動(dòng)力組件是電池組、充電器、電力控制器與馬達(dá)等,因此動(dòng)力系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單;另外還有以燃料動(dòng)力電池為動(dòng)力系統(tǒng)的電動(dòng)汽車(chē)。


從全球新能源汽車(chē)的發(fā)展來(lái)看,其動(dòng)力電源重要包括鋰離子電池、鎳氫電池、燃料動(dòng)力電池、鉛酸電池、超級(jí)電容器,其中鉛酸電池、超級(jí)電容器大多以輔助動(dòng)力源的形式出現(xiàn)。重要原因是這些電池技術(shù)還不完全成熟或缺點(diǎn)明顯,與傳統(tǒng)汽車(chē)相比不管是從成本上、動(dòng)力還是續(xù)航里程上都有不少差距,這也是制約新能源汽車(chē)的發(fā)展的重要原因。由于汽車(chē)要大電流來(lái)帶動(dòng),所以鋰離子電池的特性較為合適,不過(guò)由于鋰離子電池在安全性上的考慮,假如制程有瑕疵會(huì)有預(yù)熱起火等問(wèn)題,所以現(xiàn)在也有許多新產(chǎn)品,希望在安全性上得以提高。


目前市面上主流純電動(dòng)汽車(chē)型所選用的電池類(lèi)型:


磷酸鐵鋰離子電池,是用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池,特點(diǎn)就是不含鈷等貴重元素,原料價(jià)格低,而且磷、鐵在地球上的含量豐富,不會(huì)有供料問(wèn)題。它的理論工作電壓適中(3.2V)、單位重量下電容量大(170mAh/g)、高放電功率、可快速充電且循環(huán)壽命長(zhǎng),在高溫與高熱環(huán)境下的穩(wěn)定性高。優(yōu)點(diǎn)就是,具有更高的安全性、更長(zhǎng)的使用壽命、不含任何重金屬和稀有金屬(原材料成本低)、支持快速充電、工作溫度范圍廣。缺點(diǎn)就是,存在一些性能上的缺陷,比如振實(shí)密度與壓實(shí)密度很低,導(dǎo)致電池的能量密度較低,材料的制備成本與電池的制造成本較高,電池成品率低,一致性差,知識(shí)產(chǎn)權(quán)等問(wèn)題。


三元聚合物鋰離子電池,是指正極材料使用鎳鈷錳酸鋰(Li(NiCoMn)O2)三元正極材料的鋰離子電池。優(yōu)點(diǎn)就是,能量密度高,循環(huán)性能好,目前,電池的標(biāo)稱(chēng)電壓已達(dá)到3.7V,在容量上已經(jīng)達(dá)到或超過(guò)鈷酸鋰離子電池水平。缺點(diǎn)就是,高溫結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,導(dǎo)致高溫安全性差,且pH值過(guò)高易使單體脹氣,進(jìn)而引發(fā)危險(xiǎn),目前造價(jià)較高。


三.新能源汽車(chē)電池的安全性


怎么評(píng)判電池的安全性能,我認(rèn)為可以從三個(gè)方面考量。


1.是否會(huì)自燃、爆炸?


至于電動(dòng)汽車(chē)的電池為何會(huì)爆炸,還是要從原材料說(shuō)起。磷酸鐵鋰離子電池和三元鋰離子電池,這兩種材料都會(huì)在到達(dá)一定溫度時(shí)發(fā)生分解,不同的是,三元鋰材料會(huì)在更低的200度左右發(fā)生分解,而磷酸鐵鋰材料是在800度左右。并且三元鋰材料的化學(xué)反映更加劇烈,會(huì)釋放氧分子,在高溫用途下電解液迅速燃燒,發(fā)生連鎖反應(yīng),所以三元鋰材料比磷酸鐵鋰材料更容易著火。因此,有人說(shuō)磷酸鐵鋰離子電池是目前最安全的電動(dòng)汽車(chē)電池。


2.電池的高壓電流是否安全?


有關(guān)這點(diǎn),要結(jié)合到車(chē)的設(shè)計(jì)一起看,也就是說(shuō)因車(chē)而異。我看過(guò)騰勢(shì)的一個(gè)公布會(huì),里面說(shuō)到,這款電動(dòng)汽車(chē)的高壓設(shè)計(jì)是完全按照戴姆勒高壓安全要求設(shè)計(jì)的。若真是這樣,那我們就不用擔(dān)心了,因?yàn)?,戴勒姆的高壓安全設(shè)計(jì)要求,是梅賽德斯-奔馳、保時(shí)捷、寶馬、奧迪、大眾5家汽車(chē)公司一致認(rèn)可的。就沖這五個(gè)牌子,也值得我們信任了。


3.電池的輻射大不大?


這里必須要提出表?yè)P(yáng)的是,我們國(guó)家在電磁標(biāo)準(zhǔn)方面的要求是很?chē)?yán)格的,甚至有些部分的要求是要高于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的。根據(jù)聯(lián)合國(guó)國(guó)際衛(wèi)生組織有關(guān)電磁輻射電磁場(chǎng)的安全標(biāo)準(zhǔn),磁場(chǎng)輻射安全標(biāo)準(zhǔn)為100μT。我們的手機(jī)、充電器、電腦等電子產(chǎn)品均帶有磁場(chǎng),數(shù)值是在4μT左右。再直觀一點(diǎn),手機(jī)看微信時(shí)的電磁輻射為0.20μT,發(fā)微信時(shí)的電磁輻射為0.45μT,而播放視頻時(shí)的電磁輻射高達(dá)19.00μT。而電動(dòng)汽車(chē)的電磁輻射,我找到了愛(ài)卡汽車(chē)網(wǎng)上的幾組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù):比亞迪e6約為2.95μT;江淮iEV4純電動(dòng)汽車(chē)約為0.597μT;騰勢(shì)車(chē)內(nèi)磁場(chǎng)水平最高處約為0.39μT。所以,關(guān)于電動(dòng)汽車(chē)的電磁輻射安全性大可放心。


電動(dòng)汽車(chē)電池到底哪個(gè)好,目前業(yè)內(nèi)也存在很多的分歧,但有一點(diǎn)是一致的,就是,至今尚未有任何一種電池技術(shù)能真正滿足新能源汽車(chē)動(dòng)力鋰電池的所有技術(shù)要求。但通過(guò)我們上面的比較分析,可以看出磷酸鐵鋰離子電池的表現(xiàn)還是更為穩(wěn)定和安全的。假如要根據(jù)此選擇購(gòu)車(chē)的話,還要更多的參考車(chē)輛的其他性能和配置。


最后,為了大家放心的使用手機(jī)和新能源汽車(chē),目前世界上多個(gè)國(guó)家和國(guó)際組織都推出了電池、汽車(chē)安全標(biāo)準(zhǔn)和檢驗(yàn)要求,其中鋰離子電池和新能源汽車(chē)應(yīng)用比較廣泛的幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)有:


1)IEC62133Edition1.0便攜式和便攜式設(shè)備用密封含堿性或其他非酸性電解液二次電芯和電池(Secondarycellsandbatteriescontainingalkalineorothernon-acidelectrolytesSafetyrequirementsforportablesealedsecondarycells,andforbatteriesmadefromthem,foruseinportableapplications);


2)IEC61960Edition1.0便攜式設(shè)備用含堿性或其他非酸性電解液二次電芯和電池-二次鋰離子電芯和電池(Secondarycellsandbatteriescontain-ingalkalineorothernon-acidelectrolytesSecondarylithiumcellsandbatteriesforportableapplica-tions);


3)IEC60950-1Edition1.0信息技術(shù)設(shè)備的安全(InformationtechnologyequipmentSafetyPart1:Generalrequirements);


4)IEC60086-4:2007一次電池-第四部分:鋰離子電池安全(Primarybatteries–Part4:Safetyoflithiumbatteries);


5)UL1642Ed4鋰離子電池(LithiumBatteries);


6)UL2054Ed2民用和商用電池(HouseholdandCommercialBatteries);


7)UNST/SG/AC.10/11/Rev.4-2003危險(xiǎn)品貨物運(yùn)輸建議書(shū)-試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)(RecommendationsontheTransportofDangerousGoodsManualofTestsandCriteria,F(xiàn)ourthRevisedEdition);


8)GB/T18287-2000《蜂窩電話用鋰離子電池總規(guī)范》;


9)JISC8714:2007便攜式電子設(shè)備用鋰離子電池的單電池即電池組的安全試驗(yàn);


10)IEEEStd1625-2004筆記本電腦用可充電電池(IEEEStandardforRechargeableBatteriesforPortableComputing);


11)IEEEStd1725-2006移動(dòng)電話用可充電電池(IEEEStandardforRechargeableBatteriesforCellularTelephones)。


目前鋰離子電池的各種標(biāo)準(zhǔn)重要從3個(gè)角度來(lái)考察鋰離子電池的電性能及安全性能:1)產(chǎn)品使用安全性;2)環(huán)境適應(yīng)性;3)電性能。不同的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電池的檢測(cè)各有側(cè)重,例如:IEC61960重要側(cè)重于鋰離子電池的電性能測(cè)試;IEC62133和日本JISC8714要求側(cè)重于產(chǎn)品使用安全和環(huán)境適應(yīng)性安全;GB/T18287不僅包含了部分安全檢測(cè)項(xiàng)目,還涵蓋了性能測(cè)試;UL2054和UL1642則全面考察電芯和電池在各種使用環(huán)境下,包括故障條件、重壓條件和燃燒條件下的安全性。


¶新能源汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)電動(dòng)汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)


需執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)和檢驗(yàn)項(xiàng)目:


需執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn):必須滿足現(xiàn)有的常規(guī)汽車(chē)檢驗(yàn)項(xiàng)目;需滿足相關(guān)專(zhuān)項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)并提交相應(yīng)的檢測(cè)報(bào)告;動(dòng)力蓄電池和超級(jí)電容器的檢測(cè)可以只按QC/T741~QC/T744進(jìn)行;鋰離子蓄電池統(tǒng)一按QC/T743-2006;鋅空氣蓄電池按GB/Z18333.2-2001;


需檢測(cè)的項(xiàng)目:常規(guī)汽車(chē)檢驗(yàn)項(xiàng)目+新能源汽車(chē)整車(chē)專(zhuān)項(xiàng)檢驗(yàn)項(xiàng)目;電池、超級(jí)電容、電機(jī)及控制器在指定檢測(cè)機(jī)構(gòu)或技術(shù)中心進(jìn)行;新能源汽車(chē)其它專(zhuān)項(xiàng)檢驗(yàn)項(xiàng)目。


一月十五日,第一電動(dòng)網(wǎng)從工信部官網(wǎng)獲悉,《有關(guān)進(jìn)一步做好新能源汽車(chē)推廣應(yīng)用安全監(jiān)管工作的通知》正式公布?!锻ㄖ诽岢?,新能源汽車(chē)生產(chǎn)公司是安全第一責(zé)任人,對(duì)整車(chē)產(chǎn)品負(fù)總責(zé)。地方政府有關(guān)部門(mén)要切實(shí)做好安全監(jiān)管工作,行業(yè)組織也要充分發(fā)揮行業(yè)自律和技術(shù)支撐用途。


該《通知》是首個(gè)全面針對(duì)新能源汽車(chē)安全提出的監(jiān)管總則。在公司層面,要求提升產(chǎn)品質(zhì)量安全水平,建立健全公司監(jiān)測(cè)平臺(tái),提高售后服務(wù)能力,配合做好產(chǎn)品質(zhì)量檢查工作。地方政府層面,必須加強(qiáng)組織領(lǐng)導(dǎo),建立健全地方監(jiān)測(cè)平臺(tái),以及安全事故處理機(jī)制。行業(yè)協(xié)會(huì)要充分發(fā)揮行業(yè)自律用途,研究建立新能源汽車(chē)安全信用評(píng)價(jià)體系,定期完成評(píng)價(jià)報(bào)告;根據(jù)要推薦、組建專(zhuān)家組,協(xié)助政府部門(mén)開(kāi)展安全事故調(diào)查等。


工信部表示,將會(huì)同有關(guān)部門(mén),加強(qiáng)對(duì)公司監(jiān)測(cè)平臺(tái)、地方監(jiān)測(cè)平臺(tái)的監(jiān)督,加強(qiáng)公司生產(chǎn)一致性監(jiān)管和產(chǎn)品質(zhì)量安全考核。關(guān)于存在未按規(guī)定建立監(jiān)測(cè)平臺(tái)、發(fā)生車(chē)輛產(chǎn)品質(zhì)量安全事故、虛報(bào)瞞報(bào)、弄虛作假等問(wèn)題的公司或車(chē)型,視問(wèn)題性質(zhì)、嚴(yán)重程度采取公開(kāi)通報(bào)、責(zé)令限期改正,暫?;蛉∠履茉雌?chē)推廣應(yīng)用推薦車(chē)型目錄、車(chē)輛生產(chǎn)公司及產(chǎn)品通告等措施。


與此同時(shí),工信部還公布了《電動(dòng)客車(chē)安全技術(shù)條件》。從人員觸電、火災(zāi)防護(hù)、事故處理、乘客逃生、整車(chē)結(jié)構(gòu)、遠(yuǎn)程監(jiān)控等方面綜合考慮,在充分借鑒現(xiàn)有傳統(tǒng)客車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和已有的上海、北京等地方標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,提出更高的技術(shù)要求,以提升行業(yè)安全技術(shù)水平。


最后,專(zhuān)家介紹:


作為能量載體,鋰離子電池必然具有一定的危險(xiǎn)性,但這種危險(xiǎn)性完全可以通過(guò)系統(tǒng)的措施來(lái)加以控制。我國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心動(dòng)力鋰電池領(lǐng)域首席專(zhuān)家、電池測(cè)試與應(yīng)用技術(shù)聯(lián)盟秘書(shū)長(zhǎng)王芳認(rèn)為,傳統(tǒng)車(chē)的汽油箱和燃料動(dòng)力電池汽車(chē)的高壓氫氣儲(chǔ)罐,也都具有危險(xiǎn)性,每年發(fā)生的傳統(tǒng)汽車(chē)自燃以及碰撞起火事故也不在少數(shù)。


電動(dòng)汽車(chē)的安全隱患,不應(yīng)全部怪罪到動(dòng)力鋰電池身上。2015年以來(lái)的17起事故中有4起是電池系統(tǒng)事故、有6起是相關(guān)部件事故、有2起是充電系統(tǒng)缺陷引起,還有5起是違規(guī)改裝或者不當(dāng)使用引起。李東認(rèn)為,確保電動(dòng)汽車(chē)安全,既涉及全產(chǎn)業(yè)鏈,也涉及產(chǎn)品的全生命周期。從全產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)說(shuō),事故原因涉及電池單體、電池組和管理系統(tǒng)、線束、高壓部分、充電樁、充電站等。從全生命周期看,涉及電池及整車(chē)的制造存儲(chǔ)、運(yùn)輸使用維護(hù)、報(bào)廢回收拆解等各個(gè)環(huán)節(jié)。


電動(dòng)汽車(chē)安全技術(shù)涵蓋動(dòng)力鋰電池、整車(chē)和充電基礎(chǔ)設(shè)施三部分。歐陽(yáng)明高認(rèn)為,就電池公司而言,必須千方百計(jì)將熱失控的風(fēng)險(xiǎn)和危害降到最低。目前,我國(guó)動(dòng)力鋰電池公司的磷酸鐵鋰技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟,三元正極、石墨負(fù)極單體電池的安全性也取得了大幅提升,在阻燃隔膜、阻燃電解性、阻燃安全性方面都實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新,單體電池產(chǎn)品的檢測(cè)結(jié)果與國(guó)外沒(méi)有特別大的差別。


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