鋰電池防爆技術(shù)

鋰離子電池已經(jīng)成為可攜式電子產(chǎn)品的首選電池。這種電池容量密度高、價格具競爭力，預計未來幾年仍將是市場主流。但是鋰電池卻一直潛藏著爆炸的危險。由于應用愈來愈廣，爆炸事件也就層出不窮。其實，透過正確的電池系統(tǒng)設(shè)計及電芯等級判定，鋰離子電池是可以做到非常安全的。目前防爆線路及防爆電芯技術(shù)都已成熟，爆炸事件應該可以愈來愈少。

鋰離子電池特性

鋰是化學周期表上直徑最小也最活潑的金屬。體積小所以容量密度高，廣受消費者與工程師歡迎。但是，化學特性太活潑，則帶來了極高的危險性。鋰金屬暴露在空氣中時，會與氧氣產(chǎn)生激烈的氧化反應而爆炸。為了提升安全性及電壓，科學家們發(fā)明了用石墨及鈷酸鋰等材料來儲存鋰原子。這些材料的分子結(jié)構(gòu)，形成了奈米等級的細小儲存格子，可用來儲存鋰原子。這樣一來，即使是電池外殼破裂，氧氣進入，也會因氧分子太大，進不了這些細小的儲存格，使得鋰原子不會與氧氣接觸而避免爆炸。鋰離子電池的這種原理，使得人們在獲得高容量密度的同時，也達到安全的目的。

鋰離子電池充電時，正極的鋰原子會喪失電子，氧化為鋰離子。鋰離子經(jīng)由電解液游到負極去，進入負極的儲存格，并獲得一個電子，還原為鋰原子。放電時，整個程序倒過來。為了防止電池的正負極直接碰觸而短路，電池內(nèi)會再加上一種擁有眾多細孔的隔膜紙，來防止短路。好的隔膜紙還可以在電池溫度過高時，自動關(guān)閉細孔，讓鋰離子無法穿越，以自廢武功，防止危險發(fā)生。

保護措施

鋰電池芯過充到電壓高于4.2V后，會開始產(chǎn)生副作用。過充電壓愈高，危險性也跟著愈高。鋰電芯電壓高于4.2V后，正極材料內(nèi)剩下的鋰原子數(shù)量不到一半，此時儲存格常會垮掉，讓電池容量產(chǎn)生永久性的下降。如果繼續(xù)充電，由于負極的儲存格已經(jīng)裝滿了鋰原子，后續(xù)的鋰金屬會堆積于負極材料表面。這些鋰原子會由負極表面往鋰離子來的方向長出樹枝狀結(jié)晶。這些鋰金屬結(jié)晶會穿過隔膜紙，使正負極短路。有時在短路發(fā)生前電池就先爆炸，這是因為在過充過程，電解液等材料會裂解產(chǎn)生氣體，使得電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鋰原子反應，進而爆炸。因此，鋰電池充電時，一定要設(shè)定電壓上限，才可以同時兼顧到電池的壽命、容量、和安全性。最理想的充電電壓上限為4.2V。

鋰電芯放電時也要有電壓下限。當電芯電壓低于2.4V時，部分材料會開始被破壞。又由于電池會自放電，放愈久電壓會愈低，因此，放電時最好不要放到2.4V才停止。鋰電池從3.0V放電到2.4V這段期間，所釋放的能量只占電池容量的3%左右。因此，3.0V是一個理想的放電截止電壓。

充放電時，除了電壓的限制，電流的限制也有其必要。電流過大時，鋰離子來不及進入儲存格，會聚集于材料表面。這些鋰離子獲得電子后，會在材料表面產(chǎn)生鋰原子結(jié)晶，這與過充一樣，會造成危險性。萬一電池外殼破裂，就會爆炸。

因此，對鋰離子電池的保護，至少要包含：充電電壓上限、放電電壓下限、及電流上限三項。一般鋰電池組內(nèi)，除了鋰電池芯外，都會有一片保護板，這片保護板主要就是提供這三項保護。但是，保護板的這三項保護顯然是不夠的，全球鋰電池爆炸事件還是頻傳。要確保電池系統(tǒng)的安全性，必須對電池爆炸的原因，進行更仔細的分析。

爆炸類型分析

電池芯爆炸的類形可歸納為外部短路、內(nèi)部短路、及過充三種。此處的外部系指電芯的外部，包含了電池組內(nèi)部絕緣設(shè)計不良等所引起的短路。

當電芯外部發(fā)生短路，電子組件又未能切斷回路時，電芯內(nèi)部會產(chǎn)生高熱，造成部分電解液汽化，將電池外殼撐大。當電池內(nèi)部溫度高到135攝氏度時，質(zhì)量好的隔膜紙，會將細孔關(guān)閉，電化學反應終止或近乎終止，電流驟降，溫度也慢慢下降，進而避免了爆炸發(fā)生。但是，細孔關(guān)閉率太差，或是細孔根本不會關(guān)閉的隔膜紙，會讓電池溫度繼續(xù)升高，更多的電解液汽化，最后將電池外殼撐破，甚至將電池溫度提高到使材料燃燒并爆炸內(nèi)部短路主要是因為銅箔與鋁箔的毛刺穿破隔膜，或是鋰原子的樹枝狀結(jié)晶穿破膈膜所造成。這些細小的針狀金屬，會造成微短路。由于，針很細有一定的電阻值，因此，電流不見得會很大。銅鋁箔毛刺系在生產(chǎn)過程造成，可觀察到的現(xiàn)象是電池漏電太快，多數(shù)可被電芯廠或是組裝廠篩檢出來。而且，由于毛刺細小，有時會被燒斷，使得電池又恢復正常。因此，因毛刺微短路引發(fā)爆炸的機率不高。

這樣的說法，可以從各電芯廠內(nèi)部都常有充電后不久，電壓就偏低的不良電池，但是卻鮮少發(fā)生爆炸事件，得到統(tǒng)計上的支持。因此，內(nèi)部短路引發(fā)的爆炸，主要還是因為過充造成的。因為，過充后極片上到處都是針狀鋰金屬結(jié)晶，刺穿點到處都是，到處都在發(fā)生微短路。因此，電池溫度會逐漸升高，最后高溫將電解液氣體。這種情形，不論是溫度過高使材料燃燒爆炸，還是外殼先被撐破，使空氣進去與鋰金屬發(fā)生激烈氧化，都是爆炸收場。

但是過充引發(fā)內(nèi)部短路造成的這種爆炸，并不一定發(fā)生在充電的當時。有可能電池溫度還未高到讓材料燃燒、產(chǎn)生的氣體也未足以撐破電池外殼時，消費者就終止充電，帶手機出門。這時眾多的微短路所產(chǎn)生的熱，慢慢的將電池溫度提高，經(jīng)過一段時間后，才發(fā)生爆炸。消費者共同的描述都是拿起手機時發(fā)現(xiàn)手機很燙，扔掉后就爆炸。

綜合以上爆炸的類型，我們可以將防爆重點放在過充的防止、外部短路的防止、及提升電芯安全性三方面。其中過充防止及外部短路防止屬于電子防護，與電池系統(tǒng)設(shè)計及電池組裝有較大關(guān)系。電芯安全性提升之重點為化學與機械防護，與電池芯制造廠有較大關(guān)系。

設(shè)計規(guī)范

由于全球手機有數(shù)億只，要達到安全，安全防護的失敗率必須低于一億分之一。由于，電路板的故障率一般都遠高于一億分之一。因此，電池系統(tǒng)設(shè)計時，必須有兩道以上的安全防線。常見的錯誤設(shè)計是用充電器（adaptor）直接去充電池組。這樣將過充的防護重任，完全交給電池組上的保護板。雖然保護板的故障率不高，但是，即使故障率低到百萬分之一，機率上全球還是天天都會有爆炸事故發(fā)生。

電池系統(tǒng)如能對過充、過放、過電流都分別提供兩道安全防護，每道防護的失敗率如果是萬分之一，兩道防護就可以將失敗率降到一億分之一。常見的電池充電系統(tǒng)方塊圖如下，包含充電器及電池組兩大部分。充電器又包含適配器（Adaptor）及充電控制器兩部分。適配器將交流電轉(zhuǎn)為直流電，充電控制器則限制直流電的最大電流及最高電壓。電池組包含保護板及電池芯兩大部分，以及一個PTC來限定最大電流。

電池芯以手機電池系統(tǒng)為例，過充防護系利用充電器輸出電壓設(shè)定在4.2V左右，來達到第一層防護，這樣就算電池組上的保護板失效，電池也不會被過充而發(fā)生危險。第二道防護是保護板上的過充防護功能，一般設(shè)定為4.3V。這樣，保護板平常不必負責切斷充電電流，只有當充電器電壓異常偏高時，才需要動作。過電流防護則是由保護板及限流片來負責，這也是兩道防護，防止過電流及外部短路。由于過放電只會發(fā)生在電子產(chǎn)品被使用的過程。因此，一般設(shè)計是由該電子產(chǎn)品的線路板來提供第一到防護，電池組上的保護板則提供第二道防護。當電子產(chǎn)品偵測到供電電壓低于3.0V時，應該自動關(guān)機。如果該產(chǎn)品設(shè)計時未設(shè)計這項功能，則保護板會在電壓低到2.4V時，關(guān)閉放電回路。