鋰離子電池安全問題

然而，在給人們的生活、生產帶來便利的同時，層出不窮的鋰離子電池安全問題也成為了人們十分關心的焦點。例如2016年9月三星Galaxy Note 7電池爆炸事件，這使得多國特種主管部門、以及各特種公司對三星Galaxy Note 7下達飛行禁令后，三星緊急召回250萬部手機，帶來了極其負面的社會影響（圖1（a））；

圖1. (a) 電池爆炸后的三星Galaxy Note 7。

2013年7月，希思羅機場埃塞俄比亞特種波音787因飛機內鋰電池短路而起火，造成飛機后部機身大面積燒毀；同年8月，特斯拉在法國比亞里茨對Model S和Model X兩款電動汽車進行推廣的試駕活動中，一輛Model S90D出現電池自燃，事后車輛完全被毀（圖2（b））。

圖2. (b) 起火的特斯拉Model S90D。

這些事件都說明了由鋰離子電池失效所造成的損失是非常巨大而沉重的，因此，鋰離子電池的使用安全性及可靠性是極其重要的。對鋰離子電池進行故障模式機理與影響分析(FMMEA)能夠提供一個嚴格的構架來定義什么樣的鋰離子電池是不合格的，如何去檢測，怎樣的過程可能會引起電池的失效，同時，提供鋰離子電池的失效模式及預防措施。通過各個方面改進、預防、保護來保證鋰離子電池的可靠性及安全性。

鋰離子電池結構

從鋰離子電池結構來說，主要分為以下五個部分組成，如圖3所示：

（1）正極材料：電極電勢較高、結構穩定的具有嵌鋰能力的層狀或尖晶石結構的過渡金屬氧化物或聚陰離子型化合物，如鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、三元材料等。

（2）負極材料：電位接近鋰電位、結構穩定的并可大量儲鋰的層狀石墨、金屬單質及金屬氧化物，如石墨、中間相碳微球、鈦酸鋰等。

（3）電解液：溶有電解質鋰鹽的有機溶劑，提供鋰離子，電解質鋰鹽有LiPF6、LiClO4、LiBF4等，有機溶劑主要由碳酸二乙酯（DEC）、碳酸丙烯酯（PC）、碳酸乙烯酯（EC）、二甲酯（DMC）等其中的一種或幾種混合組成。

（4）隔膜：置于正負極之間，防止正負極直接接觸，且允許Li+離子通過的聚烯微多孔膜，如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP），或它們復合膜，PP/PE/PP三層隔膜。

（5）外殼：電池封裝，主要有鋁殼、蓋板、極耳、絕緣片等。

圖3. 圓柱形鋰離子電池結構示意圖。

鋰離子電池的故障機理與影響分析總結

故障模式機理與影響分析（FMMEA）衍生于失效模式與影響分析（FMEA），在FMEA分析的基礎上，FMMEA更加詳細的定義和指出了導致故障產生的機理。因此，鋰離子電池的FMMEA的發展基于多年來對電池可靠性的試驗、結構拆解及失效分析研究。本文從鋰離子電池結構的角度出發總結了鋰離子電池的故障機理與影響分析，如表1所示：

表1. 鋰離子電池的故障模式機理與影響分析

以上表格是根據長期可靠性試驗與分析積累所得。在鋰離子電池失效分析中，還應該根據實際情況全面考察電池的材料、工藝、工作環境、使用情況及宿主設備等信息。電池雖小，但它所涉及到的方面卻極其復雜，因此，研究者還需根據背景信息進行細致考察并得出合理的結論。