鋰電池安全問題及失效途徑超全分析

鋰離子電池容易發(fā)生起火爆炸等事故，本質(zhì)上還是由于其有機(jī)材料體系造成的。究其安全失效機(jī)制，可以分為內(nèi)部因素和外部因素兩大類。

內(nèi)部因素是指電池本身的材料組成、生產(chǎn)工藝等對(duì)電池安全性的影響；外部因素是指在使用過程中電池經(jīng)受某些特殊的使用條件，如過充、擠壓等引發(fā)的電池?zé)崾Э?，造成膨脹、冒煙甚至起火等?/p>

鋰離子電池安全問題表現(xiàn)

鋰離子電池的安全問題主要表現(xiàn)為：

·起火，直接燒傷人體，或?qū)﹄姵?a target="_blank">供電的電子產(chǎn)品造成著火危險(xiǎn)；

·爆炸，直接危害人體，或損毀設(shè)備，并產(chǎn)生嚴(yán)重次生危害；

·過熱，直接對(duì)人體引起灼傷，或?qū)е陆^緣等級(jí)下降和安全元器件性能降低，或引燃可燃液體；

·漏液，可能會(huì)直接被人體接觸或吸人構(gòu)成化學(xué)腐蝕危害，或?qū)е码姵毓╇姷?a target="_blank">電子產(chǎn)品內(nèi)部絕緣失效間接造成電擊、著火等危險(xiǎn)；

·電擊，對(duì)于輸出電壓超過安全電壓限值的電池組，還可能引發(fā)電擊危險(xiǎn)。

鋰離子電池失效產(chǎn)生途徑

鋰離子電池失效的產(chǎn)生主要有以下幾種途徑，如圖1所示：

圖1 鋰離子電池失效的產(chǎn)生途徑

第①種途徑：

第①種途徑主要與鋰離子電池的內(nèi)部短路有關(guān)。鋰離子電池的內(nèi)部短路是其安全問題的最重要誘因，大部分的安全問題都是由于內(nèi)部短路引起的。內(nèi)部短路是電池內(nèi)的正負(fù)極短路，一般是由生產(chǎn)過程中混入的金屬雜質(zhì)、電極金屬箔在剪切時(shí)造成的毛刺、使用過程中形成鋰枝晶以及受到擠壓等意外機(jī)械應(yīng)力引起。內(nèi)部短路時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱，從而引起安全問題，內(nèi)部短路對(duì)電池電壓和溫度的影響見圖2

圖2 內(nèi)部短路對(duì)電池電壓和溫度的影響

在大多數(shù)情況下，鋰離子電池內(nèi)部短路引起的安全問題表現(xiàn)為著火和爆炸危險(xiǎn)，而普通的過熱危險(xiǎn)一般被認(rèn)為是可以接受的危險(xiǎn)。

第②種途徑：

第②種途徑主要與電路故障有關(guān)，如圖3所示。為了對(duì)鋰離子進(jìn)行充放電管理及安全保護(hù)，在使用電池的宿主設(shè)備或適配器中需要設(shè)計(jì)充放電管理電路，在部分設(shè)備內(nèi)還有放電的負(fù)載電路。

圖3 可能會(huì)出現(xiàn)故障的電路

為了對(duì)鋰離子電池進(jìn)行保護(hù)，在封裝過程中需要在電池組中加入保護(hù)電路板。這些電池組內(nèi)部的或外部的電路都有可能出現(xiàn)故障，進(jìn)而引起電池的過壓充電、過度充電、過度放電、外部短路、過載等電應(yīng)力條件，這些條件也可能會(huì)導(dǎo)致過熱、著火、爆炸等危險(xiǎn)。

在電應(yīng)力條件中，過壓充電和過度充電會(huì)產(chǎn)生劇烈的副反應(yīng)，產(chǎn)生大量的熱，從而導(dǎo)致熱失控；過度放電會(huì)導(dǎo)致電池的電壓低于廠商規(guī)定的放電截止電壓，此時(shí)的副反應(yīng)主要為電解液的分解，產(chǎn)生大量的氣體導(dǎo)致外殼鼓脹破裂引發(fā)漏液；外部短路和過載則會(huì)使放電電流變大，從而使電池內(nèi)部溫度或者外部導(dǎo)體的溫度劇增，引發(fā)熱失控。

第③種途徑：

第③種途徑主要與誤用、濫用有關(guān)。誤用和濫用包括在高溫下使用或存儲(chǔ)（如在車內(nèi)）、用戶使用了錯(cuò)誤的充電器（過壓充電）、極性反接充電、在攜帶過程中電池端子被外部的導(dǎo)體（金屬、溶液等）短路。這些誤用和濫用都可能 造成電池發(fā)出大量的熱，甚至造成熱失控。

第④種途徑：

第④種途徑主要與電池外殼破裂有關(guān)。引起外殼破裂的誘因包括內(nèi)部和外部應(yīng)力。內(nèi)部應(yīng)力是指過度放電等副反應(yīng)造成的內(nèi)外壓差；外部應(yīng)力是指運(yùn)輸、使用過程中的正常的或者意外的機(jī)械應(yīng)力，如振動(dòng)、加速度沖擊、跌落等造成的外殼破裂。外殼破裂會(huì)使內(nèi)部的電解液泄漏，從而引起危險(xiǎn)。

第⑤種途徑：

第⑤種途徑主要與一致性有關(guān)。在由多節(jié)電池（電芯）通過串聯(lián)、并聯(lián)以及串并混聯(lián)構(gòu)成的電池組中，電池之間的內(nèi)阻、開路電壓、容量的一致性會(huì)造成對(duì)電池組內(nèi)部的某一電池或電池并聯(lián)塊的過壓充電、欠壓放電等，從而引起安全問題。

某鋰電池失效原因分析

造成鋰離子電池失效的原因很多，不同原因可能會(huì)造成同一結(jié)果和現(xiàn)象，且有些是直接原因，有些是間接原因，故進(jìn)行鋰離子電池失效分析，應(yīng)該對(duì)造成失效的各層級(jí)原因進(jìn)行分析，排除可排除的因素，進(jìn)而推導(dǎo)得出根本原因。 某鋰離子電池失效起鼓，首先可以分析，造成電池起鼓的直接原因是由于電解液的分解，在密封的電池內(nèi)部產(chǎn)生了氣體，造成電池鼓脹。造成電解液分解的原因有很多，所有可能的因素如圖4所示，顯然電解液受熱分解是最主要的可能原因。

使電解液受熱分解的高溫，可能來自于電池過載、外部短路、高溫以及電池的內(nèi)部短路。如果失效前的場(chǎng)景應(yīng)用能夠排除前面三項(xiàng)目，則最可能的原因是電池內(nèi)部短路。

圖4 某電池鼓脹原因推導(dǎo)

造成電池內(nèi)部短路同樣有鋰枝晶、毛刺和金屬雜質(zhì)等幾種可能。需要對(duì)其可能性與成因進(jìn)行進(jìn)一步分析。以鋰枝晶析出為例，鋰枝晶的析出直接原因可能是電池材料不良所致，也有可能是負(fù)極析鋰后，鋰金屬沿著隔膜空隙生長，接觸正極便形成了鋰枝晶。負(fù)極析鋰的原因可能包括充電倍率過高，或者在過低溫度下的充電。即電池充電溫度、電流管理不當(dāng)，這種不恰當(dāng)是由于保護(hù)電路問題（沒有設(shè)計(jì)或者設(shè)計(jì)不當(dāng)）、系統(tǒng)充電電路問題（故障或者設(shè)計(jì)不當(dāng)）以及用戶使用環(huán)境問題綜合造成的。

【結(jié)語】通過上述案例，從現(xiàn)象到原因的逐層分析表明，電池失效有其根本原因，也有表面原因。某一個(gè)因素又可能由多種原因造成，需要用對(duì)應(yīng)的方法和技術(shù)手段排除次要原因或者無關(guān)原因，從而找到主要原因，最終定位到根本原因，例如某種設(shè)計(jì)缺陷。對(duì)失效根本原因作出針對(duì)性的改善，才能真正提升產(chǎn)品安全性。參考：謝志利等《常見電子產(chǎn)品用鋰離子電池失效原因分析》

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