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  文件名称:  锂電池防爆技術
  公司名称:  東莞市高鑫檢測設備有限公司
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  文件详细说明:
 

锂離子電池已經成爲可攜式電子欧美夫妻俱乐部的首選電池。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。但是锂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設計及電芯等級判定,锂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都已成熟,爆炸事件應該可以愈來愈少。
 
  
锂離子電池特性 
 
锂是化學周期表上直徑*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。锂金屬暴露在空氣中時,會與氧氣産生激烈的氧化反應而爆炸。爲了提升安全性及電壓,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儲存格子,可用來儲存锂原子。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,使得锂原子不會與氧氣接觸而避免爆炸。锂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。 
 
锂離子電池充電時,正極的锂原子會喪失電子,氧化爲锂離子。锂離子經由電解液遊到負極去,進入負極的儲存格,並獲得一個電子,還原爲锂原子。放電時,整個程序倒過來。爲了防止電池的正負極直接碰觸而短路,電池內會再加上一種擁有衆多細孔的隔膜紙,來防止短路。好的隔膜紙還可以在電池溫度過高時,自動關閉細孔,讓锂離子無法穿越,以自廢武功,防止危險發生。 
 
保護措施 
 
锂電池芯過充到電壓高于4.2V後,會開始産生副作用。過充電壓愈高,危險性也跟著愈高。锂電芯電壓高于4.2V後,正極材料內剩下的锂原子數量不到一半,此時儲存格常會垮掉,讓電池容量産生永久性的下降。如果繼續充電,由于負極的儲存格已經裝滿了锂原子,後續的锂金屬會堆積于負極材料表面。這些锂原子會由負極表面往锂離子來的方向長出樹枝狀結晶。這些锂金屬結晶會穿過隔膜
 
紙,使正負極短路。有時在短路發生前電池就先爆炸,這是因爲在過充過程,電解液等材料會裂解産生氣體,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锂原子反應,進而爆炸。因此,锂電池充電時,一定要設定電壓上限,才可以同時兼顧到電池的壽命、容量、和安全性。*理想的充電電壓上限爲4.2V 
 
锂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。锂電池從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,锂離子來不及進入儲存格,會聚集于材料表面。這些锂離子獲得電子後,會在材料表面産生锂原子結晶,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,對锂離子電池的保護,至少要包含:充電電壓上限、放電電壓下限、及電流上限三項。一般锂電池組內,除了锂電池芯外,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,全球锂電池爆炸事件還是頻傳。要確保電池系統的安全性,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爲外部短路、內部短路、及過充三種。此處的外部系指電芯的外部,包含了電池組內部絕緣設計不佳等所引起的短路。 
 
當電芯外部發生短路,電子組件又未能切斷回路時,電芯內部會産生高熱,造成部分電解液汽化,將電池外殼撐大。當電池內部溫度高到135攝氏度時,質量好的隔膜紙,會將細孔關閉,電化學反應終止或近乎終止,電流驟降,溫度也慢慢下降,進而避免了爆炸發生。但是,細孔關閉率太差,或是細孔根本不會關閉的隔膜紙,會讓電池溫度繼續升高,更多的電解液汽化,*後將電池外殼撐破,甚至將電池溫度提高到使材料燃燒並爆炸

 

內部短路主要是因爲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。銅鋁箔毛刺系在生産過程造成,可觀察到的現象是電池漏電太快,多數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,使得電池又恢複正常。因此,因毛刺微短路引發爆炸的機率不高。
 
這樣的說法,可以從各電芯廠內部都常有充電後不久,電壓就偏低的不佳電池,但是卻鮮少發生爆炸事件,得到統計上的支持。因此,內部短路引發的爆炸,主要還是因爲過充造成的。因爲,過充後極片上到處都是針狀锂金屬結晶,刺穿點到處都是,到處都在發生微短路。因此,電池溫度會逐漸升高,*後高溫將電解液氣體。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,使空氣進去與锂金屬發生激烈氧化,都是爆炸收場。 
 
但是過充引發內部短路造成的這種爆炸,並不一定發生在充電的當時。有可能電池溫度還未高到讓材料燃燒、産生的氣體也未足以撐破電池外殼時,消費者就終止充電,帶欧美夫妻俱乐部出門。這時衆多的微短路所産生的熱,慢慢的將電池溫度提高,經過一段時間後,才發生爆炸。消費者共同的描述都是拿起欧美夫妻俱乐部時發現欧美夫妻俱乐部很燙,扔掉後就爆炸。 
 
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,與電池系統設計及電池組裝有較大關系。電芯安全性提升之重點爲化學與機械防護,與電池芯制造廠有較大關系。 
 
設計規範 
 
由于全球欧美夫妻俱乐部有數億只,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,電池系統設計時,必須有兩道以上的安全防線。常見的錯誤設計是用充電器(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生。 
 
電池系統如能對過充、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。適配器將交流電轉爲直流電,充電控制器則限制直流電的最大電流及*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。 
 
文字方塊适配器交流变直流文字方塊充电控制器限流限压文字方塊充电器文字方塊保护板过充、过放过流等防护文字方塊电池组文字方塊限流片文字方塊電池芯 

以欧美夫妻俱乐部電池系統爲例,過充防護系利用充電器輸出電壓設定在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生危險。第二道防護是保護板上的過充防護功能,一般設定爲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。由于過放電只會發生在電子欧美夫妻俱乐部被使用的過程。因此,一般設計是由該電子欧美夫妻俱乐部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。當電子欧美夫妻俱乐部偵測到供電電壓低于3.0V時,應該自動關機。如果該欧美夫妻俱乐部設計時未設計這項功能,則保護板會在電壓低到2.4V時,關閉放電回路

 

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