锂離子電(diàn)池特性  

    锂是化學周期表上(shàng)直徑最小(xiǎo)也最活潑的金屬。體積小(xiǎo)所以容量密度高(gāo)，廣受消費(fèi)者與工(gōng)程師(shī)歡迎。但是，化學特性太活潑，則帶來了極高(gāo)的危險性。锂金屬暴露在空氣中時，會(huì)與氧氣産生(shēng)激烈的氧化反應而爆炸。為(wèi)了提升安全性及電(diàn)壓，科學家們發明了用石墨及钴酸锂等材料來儲存锂原子。這些材料的分子結構，形成了奈米等 級的細小(xiǎo)儲存格子，可用來儲存锂原子。這樣一(yī)來，即使是電(diàn)池外殼破裂，氧氣進入，也會(huì)因氧分子太大，進不了這些細小(xiǎo)的儲存格，使得锂原子不會(huì)與氧氣接觸而 避免爆炸。锂離子電(diàn)池的這種原理，使得人們在獲得高(gāo)容量密度的同時，也達到(dào)安全的目的。  

锂離子電(diàn)池充電(diàn)時，正極的锂原子會(huì)喪失電(diàn)子，氧化為(wèi)锂離子。锂離子經由電(diàn)解液遊到(dào)負極去，進入負極的儲存格，并獲得一(yī)個(gè)電(diàn)子，還(hái)原為(wèi)锂原子。放(fàng)電(diàn)時，整個(gè) 程序倒過來。為(wèi)了防止電(diàn)池的正負極直接碰觸而短路(lù)，電(diàn)池内會(huì)再加上(shàng)一(yī)種擁有衆多(duō)細孔的隔膜紙(zhǐ)，來防止短路(lù)。好的隔膜紙(zhǐ)還(hái)可以在電(diàn)池溫度過高(gāo)時，自(zì)動關閉細孔，讓锂離子無法穿越，以自(zì)廢武功，防止危險發生(shēng)。

保護措施  

    锂電(diàn)池芯過充到(dào)電(diàn)壓高(gāo)于4.2V後，會(huì)開(kāi)始産生(shēng)副作用。過充電(diàn)壓愈高(gāo)，危險性也跟著(zhe)愈高(gāo)。锂電(diàn)芯電(diàn)壓高(gāo)于4.2V後，正極材料内剩下(xià)的锂原子數量不到(dào)一(yī)半，此時儲存格常會(huì)垮掉，讓電(diàn)池容量産生(shēng)永久性的下(xià)降。如果繼續充電(diàn)，由于負極的儲存格已經裝滿了锂原子，後續的锂金屬會(huì)堆積于負極材料表面。這些锂原子會(huì)由負極表面往锂離子來的方向長(cháng)出樹枝狀結晶。這些锂金屬結晶會(huì)穿過隔膜紙(zhǐ)，使正負極短路(lù)。有時在短路(lù)發生(shēng)前電(diàn)池就(jiù)先爆炸，這是因為(wèi)在過充過程，電(diàn)解液等材料會(huì)裂解産生(shēng)氣體，使得電(diàn)池外殼或壓力閥鼓漲破裂，讓氧氣進去與堆積在負極表面的锂原子反應，進而爆炸。因此，锂電(diàn)池充電(diàn)時，一(yī)定要設定電(diàn)壓上(shàng)限，才可以同時兼顧到(dào)電(diàn)池的壽命、容量、和安全性。最理想的充電(diàn)電(diàn)壓上(shàng)限為(wèi)4.2V。  锂電(diàn)芯放(fàng)電(diàn)時也要有電(diàn)壓下(xià)限。當電(diàn)芯電(diàn)壓低(dī)于2.4V時，部分材料會(huì)開(kāi)始被破壞。又(yòu)由于電(diàn)池會(huì)自(zì)放(fàng)電(diàn)，放(fàng)愈久電(diàn)壓會(huì)愈低(dī)，因此，放(fàng)電(diàn)時最好不要放(fàng)到(dào) 2.4V才停止。锂電(diàn)池從(cóng)3.0V放(fàng)電(diàn)到(dào)2.4V這段期間，所釋放(fàng)的能(néng)量隻占電(diàn)池容量的3%左右。因此，3.0V是一(yī)個(gè)理想的放(fàng)電(diàn)截止電(diàn)壓。  

    充放(fàng)電(diàn)時，除了電(diàn)壓的限制，電(diàn)流的限制也有其必要。電(diàn)流過大時，锂離子來不及進入儲存格，會(huì)聚集于材料表面。這些锂離子獲得電(diàn)子後，會(huì)在材料表面産生(shēng)锂原子結晶，這與過充一(yī)樣，會(huì)造成危險性。萬一(yī)電(diàn)池外殼破裂，就(jiù)會(huì)爆炸。  

因此，對锂離子電(diàn)池的保護，至少要包含：充電(diàn)電(diàn)壓上(shàng)限、放(fàng)電(diàn)電(diàn)壓下(xià)限、及電(diàn)流上(shàng)限三項。一(yī)般锂電(diàn)池組内，除了锂電(diàn)池芯外，都會(huì)有一(yī)片保護闆，這片保護闆主要就(jiù)是提供這三項保護。但是，保護闆的這三項保護顯然是不夠的，全球锂電(diàn)池爆炸事(shì)件(jiàn)還(hái)是頻傳。要确保電(diàn)池系統的安全性，必須對電(diàn)池爆炸的原因，進行更仔細的分析。

  爆炸類型分析  

    電(diàn)池芯爆炸的類形可歸納為(wèi)外部短路(lù)、内部短路(lù)、及過充三種。此處的外部系指電(diàn)芯的外部，包含了電(diàn)池組内部絕緣設計不良等所引起的短路(lù)。  

當電(diàn)芯外部發生(shēng)短路(lù)，電(diàn)子組件(jiàn)又(yòu)未能(néng)切斷回路(lù)時，電(diàn)芯内部會(huì)産生(shēng)高(gāo)熱，造成部分電(diàn)解液汽化，将電(diàn)池外殼撐大。當電(diàn)池内部溫度高(gāo)到(dào)135攝氏度時，質量好的隔膜紙(zhǐ)，會(huì)将細孔關閉，電(diàn)化學反應終止或近乎終止，電(diàn)流驟降，溫度也慢(màn)慢(màn)下(xià)降，進而避免了爆炸發生(shēng)。但是，細孔關閉率太差，或是細孔根本不會(huì)關閉的隔膜紙(zhǐ)，會(huì)讓電(diàn)池溫度繼續升高(gāo)，更多(duō)的電(diàn)解液汽化，最後将電(diàn)池外殼撐破，甚至将電(diàn)池溫度提高(gāo)到(dào)使材料燃燒并爆炸内部短路(lù)主要是因為(wèi)銅箔與鋁箔的毛刺穿破隔膜， 或是锂原子的樹枝狀結晶穿破膈膜所造成。這些細小(xiǎo)的針狀金屬，會(huì)造成微短路(lù)。由于，針很細有一(yī)定的電(diàn)阻值，因此，電(diàn)流不見(jiàn)得會(huì)很大。

 銅鋁箔毛刺系在生(shēng)産過 程造成，可觀察到(dào)的現象是電(diàn)池漏電(diàn)太快，多(duō)數可被電(diàn)芯廠或是組裝廠篩檢出來。而且，由于毛刺細小(xiǎo)，有時會(huì)被燒斷，使得電(diàn)池又(yòu)恢複正常。因此，因毛刺微短路(lù)引發爆炸的機(jī)率不高(gāo)。      這樣的說法，可以從(cóng)各電(diàn)芯廠内部都常有充電(diàn)後不久，電(diàn)壓就(jiù)偏低(dī)的不良電(diàn)池，但是卻很少發生(shēng)爆炸事(shì)件(jiàn)，得到(dào)統計上(shàng)的支持。因此，内部短路(lù)引發的爆炸，主要還(hái)是因為(wèi)過充造成的。因為(wèi)，過充後極片上(shàng)到(dào)處都是針狀锂金屬結晶，刺穿點到(dào)處都是，到(dào)處都在發生(shēng)微短路(lù)。因此，電(diàn)池溫度會(huì)逐漸升高(gāo)，最後高(gāo)溫将電(diàn)解液氣體。 這種情形，不論是溫度過高(gāo)使材料燃燒爆炸，還(hái)是外殼先被撐破，使空氣進去與锂金屬發生(shēng)激烈氧化，都是爆炸收場。  

但是過充引發内部短路(lù)造成的這種爆炸，并不一(yī)定發生(shēng)在充電(diàn)的當時。有可能(néng)電(diàn)池溫度還(hái)未高(gāo)到(dào)讓材料燃燒、産生(shēng)的氣體也未足以撐破電(diàn)池外殼時，消費(fèi)者就(jiù)終止充電(diàn)，帶手機(jī)出門(mén)。這時衆多(duō)的微短路(lù)所産生(shēng)的熱，慢(màn)慢(màn)的将電(diàn)池溫度提高(gāo)，經過一(yī)段時間後，才發生(shēng)爆炸。消費(fèi)者共同的描述都是拿起手機(jī)時發現手機(jī)很燙，扔掉後就(jiù)爆炸。  

    綜合以上(shàng)爆炸的類型，我們可以将防爆重點放(fàng)在過充的防止、外部短路(lù)的防止、及提升電(diàn)芯安全性三方面。其中過充防止及外部短路(lù)防止屬于電(diàn)子防護，與電(diàn)池系統設計及電(diàn)池組裝有較大關系。電(diàn)芯安全性提升之重點為(wèi)化學與機(jī)械防護，與電(diàn)池芯制造廠有較大關系。

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