第144章 锂电学习 二

　　第144章锂电学习（二）

　　放电时，整个程序倒过来。为了防止电池的正负极直接碰触而短路，电池内会再加上一种拥有众多细孔的隔膜纸，来防止短路。好的隔膜纸还可以在电池温度过高时，自动关闭细孔，让锂离子无法穿越，以自废武功，防止危险发生。保护措施锂电池芯过充到电压高于4.2v后，会开始产生副作用。过充电压愈高，危险性也跟着愈高。

　　锂电芯电压高于4.2v后，正极材料内剩下的锂原子数量不到一半，此时储存格常会垮掉，让电池容量产生永久性的下降。如果继续充电，由于负极的储存格已经装满了锂原子，后续的锂金属会堆积于负极材料表面。

　　这些锂原子会由负极表面往锂离子来的方向长出树枝状结晶。这些锂金属结晶会穿过隔膜纸，使正负极短路。有时在短路发生前电池就先爆炸，这是因为在过充过程，电解液等材料会裂解产生气体，使得电池外壳或压力阀鼓涨破裂，让氧气进去与堆积在负极表面的锂原子反应，进而爆炸。因此，锂电池充电时，一定要设定电压上限，才可以同时兼顾到电池的寿命、容量、和安全性。

　　最理想的充电电压上限为4.2v。锂电芯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。因此，3.0v是一个理想的放电截止电压。

　　充放电时，除了电压的限制，电流的限制也有其必要。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，会造成危险性。万一电池外壳破裂，就会爆炸。

　　因此，对锂离子电池的保护，至少要包含：充电电压上限、放电电压下限、及电流上限三项。

　　一般锂电池组内，除了锂电池芯外，都会有一片保护板，这片保护板主要就是提供这三项保护。但是，保护板的这三项保护显然是不够的，全球锂电池爆炸事件还是频传。要确保电池系统的安全性，必须对电池爆炸的原因，进行更仔细的分析。

　　二、爆炸的原因分析

　　1、内部极化较大

　　2、极片吸水,与电解液发生反应气鼓

　　3、电解液本身的质量,性能问题

　　4、注液时候注液量达不到工艺要求

　　5、装配制程中激光焊焊接密封性能差,漏气，测漏气时漏测

　　6、粉尘,极片粉尘首先易导致微短路

　　7、正负极片较工艺范围偏厚,入壳难

　　8、注液封口问题,钢珠密封性能不好导致气鼓

　　9、壳体来料存在壳壁偏厚,壳体变形影响厚度

　　.三、爆炸类型分析爆炸类型分析电池芯爆炸的类形可归纳为外部短路、内部短路、及过充三种。此处的外部系指电芯的外部，包含了电池组内部绝缘设计不良等所引起的短路。

　　当电芯外部发生短路，电子组件又未能切断回路时，电芯内部会产生高热，造成部分电解液汽化，将电池外壳撑大。当电池内部温度高到135摄氏度时，质量好的隔膜纸，会将细孔关闭，电化学反应终止或近乎终止，电流骤降，温度也慢慢下降，进而避免了爆炸发生。但是，细孔关闭率太差，或是细孔根本不会关闭的隔膜纸，会让电池温度继续升高，更多的电解液汽化，最后将电池外壳撑破，甚至将电池温度提高到使材料燃烧并爆炸。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，针很细有一定的电阻值，因此，电流不见得会很大。铜铝箔毛刺系在生产过程造成，可观察到的现象是电池漏电太快，多数可被电芯厂或是组装厂筛检出来。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。这样的说法，可以从各电芯厂内部都常有充电后不久，电压就偏低的不良电池，但是却鲜少发生爆炸事件，得到统计上的支持。

　　因此，内部短路引发的爆炸，主要还是因为过充造成的。因为，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。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，都是爆炸收场。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。有可能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，消费者就终止充电，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。综合以上爆炸的类型，我们可以将防爆重点放在过充的防止、外部短路的防止、及提升电芯安全性三方防爆重点放在面。

　　其中过充防止及外部短路防止属于电子防护，与电池系统设计及电池组装有较大关系。电芯安全性提升之重点为化学与机械防护，与电池芯制造厂有较大关系。四、设计规范由于全球手机有数亿只，要达到安全，安全防护的失败率必须低于一亿分之一。由于，电路板的故障率一般都远高于一亿分之一。

　　因此，电池系统设计时，必须有两道以上的安全防线。常见的错误设计是用充电器(adaptor)直接去充电池组。这样将过充的防护重任，完全交给电池组上的保护板。虽然保护板的故障率不高，但是，即使故障率低到百万分之一，机率上全球还是天天都会有爆炸事故发生。电池系统如能对过充、过放、过电流都分别提供两道安全防护，每道防护的失败率如果是万分之一，两道防护就可以将失败率降到一亿分之一。常见的电池充电系统方块图如下，包含充电器及电池组两大部分。

　　1充电器又包含适配器(adaptor)及充电控制器两部分。适配器将交流电转为直流电，充电控制器则限制直流电的最大电流及最高电压。

　　2电池组包含保护板及电池芯两大部分，以及一个ptc来限定最大电流。下面图中适配器交流变直流文字方块作用：电控制器限流限压。充电器文字方块作用:保护板过充、过放、过流等防护。电池组文字方块作用:限流片。电池芯以手机电池系统为例，过充防护系统利用充电器输出电压设定在4.2v左右，来达到第一层防护，这样就算电池组上的保护板失效，电池也不会被过充而发生危险。

　　第二道防护是保护板上的过充防护功能，一般设定为4.3v。这样，保护板平常不必负责切断充电电流，只有当充电器电压异常偏高时，才需要动作。过电流防护则是由保护板及限流片来负责，这也是两道防护，防止过电流及外部短路。由于过放电只会发生在电子产品被使用的过程。

　　因此，一般设计是由该电子产品的线路板来提供第一道防护，电池组上的保护板则提供第二道防护。当电子产品侦测到供电电压低于3.0v时，应该自动关机。如果该产品设计时未设计这项功能，则保护板会在电压低到2.4v时，关闭放电回路。总论：电池系统设计时，必须对过充、过放、与过电流分别提供两道电子防护。把保护板拿掉后充电，如果电池会爆炸就代表设计不良。

　　把保护板拿掉后充电，如果电池会爆炸就代表设计不良。上述方法虽然提供了两道防护，但是由于消费者在充电器坏掉后，常会买非原厂充电器来充电，而充电器业者，基于成本考虑，常将充电控制器拿掉，来降低成本。结果，劣币驱逐良币，市面上出现了许多劣质充电器。这使得过充防护失去了第一道也是最重要的一道防线。而过充又是造成电池爆炸的最重要因素，因此，劣质充电器可以称得上是电池爆炸事件的元凶。当然，并非所有的电池系统都采用如上图的方案。在有些情况下，电池组内也会有充电控制器的设计。

　　例如：许多笔记型计算机的外加电池棒，就有充电控制器。这是因为笔记型计算机一般都将充电控制器做在计算机内，只给消费者一个适配器。因此，笔记型计算机的外加电池组，就必须有一个充电控制器，才能确保外加电池组在使用适配器充电时的安全。另外，使用汽车点烟器充电的产品，有时也会将充电控制器做在电池组内。最后的防线：如果电子的防护措施都失败了，最后的一道防线，就要由电芯来提供了。电芯的安全层级，可依据电芯能否通过外部短路和过充来大略区分等级。

　　由于，电池爆炸前，如果内部有锂原子堆积在材料表面，爆炸威力会更大。而且，过充的防护常因消费者使用劣质充电器而只剩一道防线，因此，电芯抗过充能力比抗外部短路的能力更重要。铝壳电芯与钢壳电芯安全性比较铝壳相对于钢壳具有很高的安全优势。锂电池正、负极碳管?锂离子电池正、负极活性材内为何要加vgcf碳管?1.不管正或负极活性材都会有膨胀收缩的问题，一般负极碳材有20%（理论值：10.5%）膨胀收缩率，而像lfp正极材料有6%（理论值：2%左右）膨胀收收率。

　　当多次充放电中，其正、负活性材颗粒与颗粒之间接触少、间隙加大，甚至有些脱离集电极，导致电子与离子传输路径断续不连续相，成为死的活性材，不再参与电极反应。因此循环使用寿命下降。vgcf碳管有很大的长径比，即使正、负活性材膨胀收缩后，其活性材颗粒间之间隙，可藉由vgcf碳管架桥连接，电子与离子传输不会间断。锂原电池锂--二氧化锰电池(cr)以金属锂为负极，以经过热处理的二氧化锰为正极，隔离膜采用pp或pe膜，圆柱型电池与锂离子电池隔膜一样，电解液为高氯酸锂的有机溶液，圆柱式或扣式。电池需要在湿度≤1%的干燥环境下生产。

　　特点：低自放电率，年自放电可≤1%，全密封(金属焊接，lazerseal)电池可满足10年寿命，半密封电池一般是5年，如果工作控制不好的话，还达不到这个寿命。在圆柱型锂锰电池开发方面做得比较好的亿纬，目前已实现自动化生产，电池可以做到短路、过放电等测试不爆炸。一般在台式电脑的主板上，有一个扣式的锂电池，提供微弱的电流，可以正常使用3年左右，一些宾馆的门禁卡、仪器仪表等也使用锂--二氧化锰电池，近年来使用量逐年下降。

　　锂--亚硫酰氯电池以金属锂为负极，正极和电解液为亚硫酰氯（氯化亚砜），圆柱式电池，装配完成即有电，电压3.6v，是工作电压最平稳的电池种类之一，也是目前单位体积（质量）容量最高的电池。适合在不能经常维护的电子仪器设备上使用，提供细微的电流。

　　其他锂电池还有锂--硫化亚铁电池、锂--二氧化硫电池等。锂离子电池锂离子电池目前由液态锂离子电池(lib)和聚合物锂离子电池(plb)两类。其中，液态锂离子电池是指li+嵌入化合物为正、负极的二次电池。正极采用锂化合物licoo?或limn?o?，负极采用锂-碳层间化合物。锂离子电池由于工作电压高、体积小、质量轻、能量高、无记忆效应、无污染、自放电小、循环寿命长，是21世纪发展的理想能源。

　　1992年sony成功开发锂离子电池。它的实用化，使人们的移动电话、笔记本电脑等便携式电子设备重量和体积大大减小。使用时间大大延长。由于锂离子电池中不含有重金属镉，与镍镉电池相比，大大减少了对环境的污染。锂电池的污染还是有的。锂电池的结构锂电池通常有两种外型：圆柱型和方型。

　　电池内部采用螺旋绕制结构，用一种非常精细而渗透性很强的聚乙烯薄膜隔离材料在正、负极间间隔而成。正极包括由钴酸锂（或镍钴锰酸锂、锰酸锂、磷酸亚铁锂等）及铝箔组成的电流收集极。负极由石墨化碳材料和铜箔组成的电流收集极组成。

　　电池内充有有机电解质溶液。另外还装有安全阀和ptc元件（部分圆柱式使用），以便电池在不正常状态及输出短路时保护电池不受损坏。单节锂电池的电压为3.7v（磷酸亚铁锂正极的为3.2v），电池容量也不可能无限大，因此，常常将单节锂电池进行串、并联处理，以满足不同场合的要求。

　　锂电池的应用随着二十世纪微电子技术的发展，小型化的设备日益增多，对电源提出了很高的要求。锂电池随之进入了大规模的实用阶段。最早得以应用的是锂亚原电池，用于心脏起搏器中。由于锂亚电池的自放电率极低，放电电压十分平缓。

　　使得起搏器植入人体长期使用成为可能。锂锰电池一般有高于3.0伏的标称电压，更适合作集成电路电源，广泛用于计算机、计算器、手表中。现在，锂离子电池大量应用在手机、笔记本电脑、电动工具、电动车、路灯备用电源、航灯、家用小电器上，可以说是最大的应用群体。

　　研究与发展前景为了开发出性能更优异的品种，人们对各种材料进行了研究。从而制造出前所未有的产品。比如，锂二氧化硫电池和锂亚硫酰氯电池就非常有特点。它们的正极活性物质同时也是电解液的溶剂。这种结构只有在非水溶液的电化学体系才会出现。

　　所以，锂电池的研究，也促进了非水体系电化学理论的发展。除了使用各种非水溶剂外，人们还进行了聚合物薄膜电池的研究。锂电池广泛应用于水力、火力、风力和太阳能电站等储能电源系统，邮电通讯的不间断电源，以及电动工具、电动自行车、电动摩托车、电动汽车、军事装备、航空航天等多个领域。锂离子电池以其特有的性能优势已在便携式电器如手提电脑、摄像机、移动通讯中得到普遍应用。

　　目前开发的大容量锂离子电池已在电动汽车中开始试用，预计将成为21世纪电动汽车的主要动力电源之一，并将在人造卫星、航空航天和储能方面得到应用。随着能源的紧缺和世界的环保方面的压力。锂电现在被广泛应用于电动车行业，特别是磷酸铁锂材料电池的出现，更推动了锂电池产业的发展和应用。

　　“超级”锂电池刚研发出来的超级锂电池能在短时间迅速充电完成，例如手机充电一般20秒，这种电池有可能加大电池未来的使用领域，例如使用在电动汽车上，使中途充电如加油一般方便。编辑本段主要特点锂电池主要优点：

　　1．能量比较高。具有高储存能量密度，目前已达到460-600wh/kg，是铅酸电池的约6-7倍；

　　2．使用寿命长，使用寿命可达到6年以上，磷酸亚铁锂为正极的电池1c（100%dod）充放电，有可以使用10,000次的记录；

　　3．额定电压高（单体工作电压为3.7v或3.2v），约等于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压，便于组成电池电源组；

　　4．具备高功率承受力，其中电动汽车用的磷酸亚铁锂锂离子电池可以达到15-30c充放电的能力，便于高强度的启动加速；

　　5．自放电率很低，这是该电池最突出的优越性之一，目前一般可做到1%/月以下，不到镍氢电池的1/20；

　　6．重量轻，相同体积下重量约为铅酸产品的1/6-1/5；

　　7．高低温适应性强，可以在-20c--60c的环境下使用，经过工艺上的处理，可以在-45c环境下使用；

　　8．绿色环保，不论生产、使用和报废，都不含有、也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质。

　　9．生产基本不消耗水，对缺水的我国来说，十分有利。比能量指的是单位重量或单位体积的能量。比能量用wh/kg或wh/l来表示。wh是能量的单位，w是瓦、h是小时；kg是千克(重量单位)，l是升(体积单位)。

　　主要缺点

　　1．锂原电池均存在安全性差，有发生爆炸的危险。

　　2．钴酸锂的锂离子电池不能大电流放电，安全性较差。

　　3．锂离子电池均需保护线路，防止电池被过充过放电。

　　4．生产要求条件高，成本高。编辑本段安全设计为了避免因使用不当造成电池过放电或者过充电，在单体锂离子电池内设有三重保护机构。

　　一是采用开关元件，当电池内的温度上升时，它的阻值随之上升，当温度过高时，会自动停止供电；

　　二是选择适当的隔板材料，当温度上升到一定数值时，隔板上的微米级微孔会自动溶解掉，从而使锂离子不能通过，电池内部反应停止；

　　三是设置安全阀（就是电池顶部的放气孔），电池内部压力上升到一定数值时，安全阀自动打开，保证电池的使用安全性。[]

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