簡要介紹鋰電池,鋰電池安全案例分析

早期的個人電子設備因為功耗較小多采用干電池供電，伴隨著手機、平板電腦等手持設備的普及，能量密度比較高的鋰離子電池逐漸走進千家萬戶。近年來電動車、無人機等大量商品化，更大大尺寸及更高能量密度的鋰電池得到廣泛應用。在享受科技進步帶來的方便和可樂的同時，你可曾意識到天天伴隨你左右的很多產(chǎn)品，隨時隨地可能變身奪命殺手，給個人、家庭和社會造成巨大損失？媒體上不時爆出因充電寶、電動車自爆自燃釀成火災事故或人身傷害，而舉世震驚的三星手機爆炸起火案幾乎將三星公司多年積累的品牌形象一舉摧毀，至今影響尚未完全消除。

圖1： 三星手機爆炸起火圖

而很多觸目驚心的電子設備爆炸起火的根本原因，都和鋰電池質(zhì)量缺陷有關。鋰電池的的使用涉及人命關天的大事，需要電子工程師在設計階段高度重視。

簡要介紹鋰電池

通常說的鋰電池也稱為鋰離子聚合物電池，因儲存和釋放電荷主要靠封裝在電池內(nèi)部的含金屬鋰離子的電解液而得名，鋰的化學活性極強，單位儲能密度遠大于普通的干電池或傳統(tǒng)的鉛鋅電池。但是含鋰離子的電解液遇到空氣極易發(fā)生燃燒，如果燃燒過于劇烈或是發(fā)生在密閉空間就可能導致爆炸。完整的鋰電池一般由三部分組成，第一部分是電芯，第二部分是電池保護板，另外是電池外殼。三者之間緊密相連，共同決定電池的品質(zhì)和應用安全。

鋰電池的電芯是電池的核心部件，是決定電池品質(zhì)的最根本因素，對技術、生產(chǎn)流程管控及原材料品質(zhì)要求極高。電子工程師根據(jù)產(chǎn)品設計要求，提供外形尺寸、電壓容量等技術指標給電芯廠家，電芯廠商按照客戶需求進行電芯設計，規(guī)格書經(jīng)雙方確認后開始正式生產(chǎn)。經(jīng)過備料、開模、下料、疊片、灌裝、密封、測試、老化等幾十到道繁雜工藝，最終生產(chǎn)出一個個單電芯，再根據(jù)電壓和容量要求組合成單芯、兩串、多串等最終成品。

鋰電池安全案例分析

電池保護功能板是根據(jù)電芯特性設計的一塊獨立電路板，主要起限制電芯的充放電電流和電壓，過充過放過溫時保護電芯不受損壞或爆炸起火等作用。一般大型的電芯廠商有能力設計保護板，而技術實力不足的電芯廠商多依賴客戶或保護板設計公司提供相應的保護板。

電芯和保護板需要裝進電池盒內(nèi)才能成為真正意義上的電池，一種方式是直接內(nèi)置在產(chǎn)品內(nèi)部，還有很多是獨立封裝為一個電池盒，然后作為一個整體部件直接安裝固定在產(chǎn)品上。圖2是發(fā)生燒焦冒煙輕微事故產(chǎn)品的電池盒拆解圖。

圖2：電池盒拆解圖

該電池為兩個電芯串聯(lián)形式，即圖中左右兩個銀色模塊。兩個電芯的中間是電池保護功能板，左邊電芯下邊是電池盒。從圖上可以明顯看到右邊的電池電芯已嚴重起鼓，中間的電池保護板上有明顯的燒焦痕跡，因為保護板發(fā)揮了作用，在存在質(zhì)量問題的電芯發(fā)生漏液爆炸冒煙起火前及時切斷了充電電路，從而避免了可能導致的嚴重事故。

在另一起電子產(chǎn)品自燃事故中，經(jīng)過分析排查，著火是由設備配置的鋰電池自燃導致，自燃后的電池殘片如圖3所示。

圖3： 自燃后的電池殘片

進一步追查發(fā)現(xiàn)，電芯廠商產(chǎn)品品質(zhì)管控不嚴，電芯本身存在安全隱患；電池保護板相關參數(shù)設置不合理，特別是過充過放電流設置過大，無過熱保護功能，導致有隱患的電芯充放電時過熱起鼓，保護電路不能及時切斷電路，最終導致電芯破裂，電解液大面積流出，遇到空氣后冒煙起火。

鋰電池安全設計

國家對于鋰電池以及電芯有著嚴格的認證要求，如下列文件均為強制性條款：

GB 31241-2014 便攜式電子產(chǎn)品用鋰離子電池和電池組安全要求；

GB/T 18287-2013 移動電話用鋰離子蓄電池及蓄電池組總規(guī)范；

另外UL1642“ 鋰電池標準”也有很多關于安規(guī)方面的要求。

這些安全性測試項目均要測試以下項目：

1、過充電；

2、強制放電；

3、短路測試；

4、熱濫用；

5、針刺（允許漏液）；

6、擠壓；

測試通過的最基本要求是電池組不起火、不爆炸??！

但是現(xiàn)實卻很殘酷，除部分技術實力強的大公司產(chǎn)品能完全滿足以上全部要求外，很多電池廠商根本不敢保證大批量出貨的電芯能夠通過熱濫用和針刺擠壓等幾項較苛刻測試要求。而質(zhì)量有保證的大品牌和一般的品牌之間同等容量和規(guī)格的電芯價格通常能差50%以上，很多公司就寧愿選擇存在很大安全隱患的低成本電芯。

另外像無人機等需要電池瞬間超高倍率放電能力導致保護板設計困難，或是考慮加上保護板的自身成本問題，有些無良企業(yè)就會不加保護板或是不加熱保護功能，或是隨意改變保護閾值等，導致保護板的功能喪失或部分失效，一旦遇到不合格的電芯或是極端使用條件，極易晾成大禍。

產(chǎn)品一旦發(fā)生自燃或爆炸給公司帶來巨大影響，強烈建議電子工程師在設計鋰電池時遵循以下原則：

1、優(yōu)先選擇質(zhì)量可靠、工藝管控嚴格、測試流程規(guī)范，特別是能夠書面承諾，大批量供貨的產(chǎn)品也能通過UL認證安規(guī)測試的大品牌電芯；有實力的電芯廠商會從一開始就非常注重

2、根據(jù)產(chǎn)品的工作條件和要求，精心計算并設置電池保護板各種參數(shù)，特別是過充、過放、過電流、短路保護等；

3、務必要增加過熱保護電路并留出裕量；

4、有條件的盡可能選擇帶總線通信的智能保護板，可以通過實時監(jiān)控電芯的狀態(tài)及早預警和處理，大大增加安全性，當然智能保護板的成本也要遠高于不帶通信功能的普通保護板。

5、重視電池盒的設計，需要考慮電芯和保護板的安裝固定、必要的形變空間，足夠光滑的表面，因為任何電芯在反復充放電過程中俊輝產(chǎn)生形變，而電池盒內(nèi)的毛刺可能會刺穿電芯表面，從而導致漏液等，而且這類問題電池保護板是無法起到保護作用的。

6、采用具有一定保護功能的充電器，在內(nèi)置的電池保護板失效的情況下部分起到防護作用。

結(jié)束語：

鋰電池的安全應用涉及千家萬戶的生命和財產(chǎn)安全，但同時由于鋰電池的價格較高，導致了很多公司不愿選擇性能好但價格高的電池。這個矛盾是擺在所有相關電子工程師面前的一道難題，需要得到公司高層的理解和支持才能從根本上解決問題。