一、鋰離子電池的結(jié)構(gòu)與工作原理

所謂鋰離子電池是由兩個(gè)可嵌入與可脫嵌鋰離子的材料作為電池的正極與負(fù)極，實(shí)現(xiàn)可多次充放電功能的二次電池。鋰離子電池是依靠鋰離子在正負(fù)極之間的轉(zhuǎn)移來(lái)完成電池充放電工作。

鋰離子電池工作原理鋰電池充放電過(guò)程

當(dāng)電池充電時(shí)，鋰離子脫離正極嵌入到負(fù)極中，放電時(shí)方向正好相反。這樣就需要正極在制作前就處于嵌鋰狀態(tài)，常規(guī)會(huì)選用相對(duì)鋰而言電位大于3V且在空氣中穩(wěn)定的鋰化合物，如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiFePO4、LiNi4Co4Mn2等化合物。

負(fù)極材料常規(guī)會(huì)選擇電位盡可能接近鋰電位的可嵌入鋰離子的物質(zhì)，如石墨、碳纖維、石墨烯、鈦酸鋰等。

電解質(zhì)常規(guī)采用LiPF6的乙烯碳酸脂（EC）、丙烯碳酸脂（PC）和低粘度二乙基碳酸脂（DEC）等烷基碳酸脂搭配的混合溶劑體系。

隔膜采用聚烯微多孔膜如PE、PP或它們復(fù)合膜，尤其是PP/PE/PP三層隔膜不僅熔點(diǎn)較低，而且具有較高的抗穿刺強(qiáng)度，起到了熱保險(xiǎn)作用。

外殼采用鋼或鋁材料，正極蓋體組件具有防爆斷電的安全保護(hù)功能。

鋰離子電池結(jié)構(gòu)示意圖

相對(duì)于其他類(lèi)型的電池產(chǎn)品，鋰電池具有重量輕、容量大、無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)碼設(shè)備、小型電動(dòng)工具及大型儲(chǔ)能設(shè)備及新能源動(dòng)力電池都采用鋰離子電池作儲(chǔ)能裝置，鋰離子電池的能量密度高，容量是同重量的鎳氫電池的1.5~2倍，而且具有很低的自放電率；此外，鋰離子電池幾乎沒(méi)有“記憶效應(yīng)”及不含有毒物質(zhì)。

二、鋰電池設(shè)計(jì)時(shí)所采取的基本安全措施

根據(jù)鋰電池材料體系的不同，鋰電池充電時(shí)電壓高于鋰電池的極限電壓后，便開(kāi)始產(chǎn)生副作用，過(guò)充電壓越高，危險(xiǎn)性也跟著越高。鋰電芯電壓高于極限電壓后，正極材料內(nèi)剩下的鋰離子數(shù)量不到一半，此時(shí)儲(chǔ)存格會(huì)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(fù)極的儲(chǔ)存格已經(jīng)裝滿了鋰離子，后續(xù)的鋰離子會(huì)堆積于負(fù)極材料表面長(zhǎng)出枝狀結(jié)晶，這些鋰結(jié)晶會(huì)刺穿隔膜，使正負(fù)極短路。有時(shí)在短路發(fā)生前電池就可能已經(jīng)爆炸，這是因?yàn)樵谶^(guò)充過(guò)程，電解液等材料會(huì)裂解產(chǎn)生氣體，使電池外殼或壓力閥鼓漲破裂，空氣中的氧氣與堆積在負(fù)極表面的鋰原子發(fā)生反應(yīng)爆炸。因此，鋰電池充電時(shí)，一定要設(shè)定電壓上限，才可以同時(shí)兼顧到電池的壽命、容量和安全性。

鋰電芯放電時(shí)也要有電壓下限，當(dāng)電芯電壓低于極限電壓時(shí)，部分材料會(huì)開(kāi)始被破壞。同時(shí)因?yàn)殇囯姵乇旧頃?huì)自放電，放置時(shí)間越久電壓會(huì)越低。因此在設(shè)計(jì)鋰電池時(shí)，放電截至電壓的設(shè)定會(huì)充分考慮這些因素，鋰電池從截止放電電壓到安全電壓這段期間，所釋放的能量只占電池容量的3%-5%左右。

充放電時(shí)，除了電壓的限制，電流的限制也非常必要。電流過(guò)大時(shí)，鋰離子來(lái)不及進(jìn)入儲(chǔ)存格，會(huì)聚集于材料表面。這些鋰離子獲得電子后，會(huì)在材料表面產(chǎn)生鋰原子結(jié)晶，這與過(guò)充一樣，會(huì)造成危險(xiǎn)性。

因此，對(duì)鋰離子電池的保護(hù)，至少要包含：充電電壓上限、放電電壓下限、及電流上限三項(xiàng)。一般鋰電池組內(nèi)，除了鋰電芯外，都會(huì)有一片保護(hù)板或者功能豐富的BMS電池管理系統(tǒng)。

三、電池可能的爆炸原因分析

鋰電芯爆炸的原因可能是外部短路、內(nèi)部短路及過(guò)充，包含電池組內(nèi)部絕緣設(shè)計(jì)不良等所引起的短路。

因此，對(duì)鋰離子電池的保護(hù)，至少要包含：充電電壓上限、放電電壓下限、及電流上限三項(xiàng)。一般鋰電池組內(nèi)，除了鋰電芯外，都會(huì)有一片保護(hù)板或者功能豐富的BMS電池管理系統(tǒng)。

內(nèi)部短路主要是因?yàn)榉智胁涣嫉你~箔與鋁箔的毛刺刺穿隔膜，或是由于過(guò)充原因形成的鋰枝狀結(jié)晶刺穿膈膜所造成。細(xì)小極片毛刺會(huì)造成微短路，因?yàn)槊毯芗?xì)有一定的電阻值，因此，電流不見(jiàn)得會(huì)很大。

銅、鋁箔毛刺是在生產(chǎn)過(guò)程中因?yàn)榉智胁涣荚斐?，可檢測(cè)到的現(xiàn)象是電芯自放電太快，大多數(shù)情況下可以在后端篩選時(shí)檢測(cè)出來(lái)。而且由于毛刺細(xì)小，有時(shí)會(huì)被燒斷，使得電池又恢復(fù)正常。因此，因毛刺微短路引發(fā)爆炸的機(jī)率并不高。

二次元影像儀

力朗電池（PLB）通過(guò)在線檢測(cè)設(shè)備“二次元影像觀測(cè)儀“可有效檢測(cè)極片毛刺情況，二次元影像儀能將圖像放大500倍，能清晰判斷毛刺情況。

內(nèi)部短路引發(fā)的爆炸，主要還是因?yàn)檫^(guò)充原因造成。因?yàn)椋^(guò)充后極片上到處都是鋰枝結(jié)晶，刺穿點(diǎn)到處都是，到處都發(fā)生微短路。因此，電池溫度會(huì)逐漸升高，最后高溫將電解液氣化。這種情形，不論是溫度過(guò)高使材料燃燒爆炸，還是外殼先被撐破，使空氣進(jìn)去與鋰金屬發(fā)生激烈氧化，都會(huì)爆炸。

綜合以上爆炸的類(lèi)型，我們可以將防爆重點(diǎn)放在過(guò)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(guò)充防止及外部短路防止屬于電子防護(hù)，屬于電池組系統(tǒng)設(shè)計(jì)及電池組裝有較大關(guān)系；電芯安全性的提升重點(diǎn)是化學(xué)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)防護(hù)，與電池芯的設(shè)計(jì)與制造過(guò)程品質(zhì)控制有較大關(guān)系。

四、設(shè)計(jì)規(guī)范涉及的幾個(gè)方面

電池保護(hù)板或BMS電池管理系統(tǒng)硬件冗余設(shè)計(jì)，預(yù)防電子元器件失效而引起的整個(gè)保護(hù)系統(tǒng)失效。電池管理系統(tǒng)如能對(duì)過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流都分別提供兩道安全防護(hù)，此外為了提升BMS系統(tǒng)的可靠性，力朗電池的BMS產(chǎn)品須經(jīng)過(guò)高溫老化處理，提供ESD、浪涌防護(hù)及防潮防塵這些基本功能。

在電動(dòng)汽車(chē)電池系統(tǒng)中，BMS電池管理系統(tǒng)不擔(dān)要提過(guò)過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流保護(hù)功能，還要對(duì)龐大的電池系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控與管理。為了保證電池工作在相同的溫度環(huán)境下，BMS還要監(jiān)控所有電芯的工作溫度，具備熱平衡功能，高效水冷電池模組可將電池工作溫度有效控制在25±2℃。此外為了提升車(chē)輛電池安全性，BMS集成落水監(jiān)測(cè)、煙霧監(jiān)測(cè)、碰撞監(jiān)測(cè)、翻車(chē)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程報(bào)警及自動(dòng)滅火等安全功能。

鋰電芯在生產(chǎn)制造時(shí)會(huì)嚴(yán)格控制正極、負(fù)極、隔膜、電解液等主要原材料的品質(zhì)，從電芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到電芯生產(chǎn)制造整個(gè)過(guò)程，都須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的品質(zhì)控制與在線檢測(cè)監(jiān)控程序，來(lái)保證鋰電芯的高品質(zhì)，通過(guò)嚴(yán)格的后端篩選與批次的破壞性檢驗(yàn)，來(lái)保證每一顆出廠電芯的品質(zhì)都符合品質(zhì)要求，保證在過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流、振動(dòng)、機(jī)械沖擊、跌落、擠壓、翻轉(zhuǎn)、碰撞、刺穿等情況下符合品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

總之，電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須對(duì)過(guò)充、過(guò)放與過(guò)流分別提供兩道電子防護(hù)。其中保護(hù)板或BMS電池管理系統(tǒng)是第二道防護(hù),如果沒(méi)有外部保護(hù)的情況，電池發(fā)生爆炸就代表設(shè)計(jì)不良。

五、鋰電芯的品質(zhì)成為關(guān)鍵

如果外部保護(hù)失敗，對(duì)鋰電芯品質(zhì)提出更高的要求。電池如果在爆炸前，內(nèi)部有鋰原子堆積在材料表面，燃燒爆炸的威力會(huì)更大。所以鋰電芯抗過(guò)充能力比抗外部短路的能力顯得更為重要。

電芯抗外部短路的方法，通常包括使用高質(zhì)量的隔膜紙和采用壓力閥兩種措施。其中高質(zhì)量的隔膜效果最好，外部短路時(shí)超過(guò)百分之九十九的電池不會(huì)發(fā)生爆炸。力朗電池所生產(chǎn)的鋰電芯，每批次須經(jīng)過(guò)過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流等檢測(cè)試驗(yàn)，因?yàn)閭溆邢冗M(jìn)的設(shè)計(jì)理念及高度自動(dòng)化的生產(chǎn)制造能力，力朗電池的品質(zhì)檢測(cè)合格率目前達(dá)到100%。