锂离子电池安全问题表现及失效产生途径分析

来源:锂离子电池厂家   2020-07-02  阅读数:

锂离子电池容易发生起火爆炸等事故,本质上还是由于其有机材料体系造成的。究其安全失效机制,可以分为内部因素和外部因素两大类。

内部因素是指电池本身的材料组成、生产工艺等对电池安全性的影响;外部因素是指在使用过程中电池经受某些特殊的使用条件,如过充、挤压等引发的电池热失控,造成膨胀、冒烟甚至起火等。

锂离子电池安全问题

锂离子电池安全问题主要表现为:

·起火,直接烧伤人体,或对电池供电的电子产品造成着火危险;

·爆炸,直接危害人体,或损毁设备,并产生严重次生危害;

·过热,直接对人体引起灼伤,或导致绝缘等级下降和安全元器件性能降低,或引燃可燃液体;

·漏液,可能会直接被人体接触或吸人构成化学腐蚀危害,或导致电池供电的电子产品内部绝缘失效间接造成电击、着火等危险;

·电击,对于输出电压超过安全电压限值的电池组,还可能引发电击危险。

锂离子电池失效产生途径

锂离子电池失效的产生主要有以下几种途径,如图1所示:


图1 锂离子电池失效的产生途径

第①种途径:

第①种途径主要与锂离子电池的内部短路有关。锂离子电池的内部短路是其安全问题的最重要诱因,大部分的安全问题都是由于内部短路引起的。内部短路是电池内的正负极短路,一般是由生产过程中混入的金属杂质、电极金属箔在剪切时造成的毛刺、使用过程中形成锂枝晶以及受到挤压等意外机械应力引起。内部短路时会产生大量的热,从而引起安全问题,内部短路对电池电压和温度的影响见图2。


图2 内部短路对电池电压和温度的影响

在大多数情况下,锂离子电池内部短路引起的安全问题表现为着火和爆炸危险,而普通的过热危险一般被认为是可以接受的危险。

第②种途径:

第②种途径主要与电路故障有关,如图3所示。为了对锂离子进行充放电管理及安全保护,在使用电池的宿主设备或适配器中需要设计充放电管理电路,在部分设备内还有放电的负载电路。


图3 可能会出现故障的电路

为了对锂离子电池进行保护,在封装过程中需要在电池组中加入保护电路板。这些电池组内部的或外部的电路都有可能出现故障,进而引起电池的过压充电、过度充电、过度放电、外部短路、过载等电应力条件,这些条件也可能会导致过热、着火、爆炸等危险。

在电应力条件中,过压充电和过度充电会产生剧烈的副反应,产生大量的热,从而导致热失控;过度放电会导致电池的电压低于厂商规定的放电截止电压,此时的副反应主要为电解液的分解,产生大量的气体导致外壳鼓胀破裂引发漏液;外部短路和过载则会使放电电流变大,从而使电池内部温度或者外部导体的温度剧增,引发热失控。

第③种途径:

第③种途径主要与误用、滥用有关。误用和滥用包括在高温下使用或存储(如在车内)、用户使用了错误的充电器(过压充电)、极性反接充电、在携带过程中电池端子被外部的导体(金属、溶液等)短路。这些误用和滥用都可能造成电池发出大量的热,甚至造成热失控。

第④种途径:

第④种途径主要与电池外壳破裂有关。引起外壳破裂的诱因包括内部和外部应力。内部应力是指过度放电等副反应造成的内外压差;外部应力是指运输、使用过程中的正常的或者意外的机械应力,如振动、加速度冲击、跌落等造成的外壳破裂。外壳破裂会使内部的电解液泄漏,从而引起危险。

第⑤种途径:

第⑤种途径主要与一致性有关。在由多节电池(电芯)通过串联、并联以及串并混联构成的电池组中,电池之间的内阻、开路电压、容量的一致性会造成对电池组内部的某一电池或电池并联块的过压充电、欠压放电等,从而引起安全问题。

某锂电池失效原因分析

造成锂离子电池失效的原因很多,不同原因可能会造成同一结果和现象,且有些是直接原因,有些是间接原因,故进行锂离子电池失效分析,应该对造成失效的各层级原因进行分析,排除可排除的因素,进而推导得出根本原因。

某锂离子电池失效起鼓,首先可以分析,造成电池起鼓的直接原因是由于电解液的分解,在密封的电池内部产生了气体,造成电池鼓胀。造成电解液分解的原因有很多,所有可能的因素如图4所示,显然电解液受热分解是最主要的可能原因。

使电解液受热分解的高温,可能来自于电池过载、外部短路、高温以及电池的内部短路。如果失效前的场景应用能够排除前面三项目,则最可能的原因是电池内部短路。


图4 某电池鼓胀原因推导

造成电池内部短路同样有锂枝晶、毛刺和金属杂质等几种可能。需要对其可能性与成因进行进一步分析。以锂枝晶析出为例,锂枝晶的析出直接原因可能是电池材料不良所致,也有可能是负极析锂后,锂金属沿着隔膜空隙生长,接触正极便形成了锂枝晶。负极析锂的原因可能包括充电倍率过高,或者在过低温度下的充电。即电池充电温度、电流管理不当,这种不恰当是由于保护电路问题(没有设计或者设计不当)、系统充电电路问题(故障或者设计不当)以及用户使用环境问题综合造成的。

总结:通过上述案例,从现象到原因的逐层分析表明,电池失效有其根本原因,也有表面原因。某一个因素又可能由多种原因造成,需要用对应的方法和技术手段排除次要原因或者无关原因,从而找到主要原因,最终定位到根本原因,例如某种设计缺陷。对失效根本原因作出针对性的改善,才能真正提升产品安全性。

参考:谢志利等《常见电子产品用锂离子电池失效原因分析》

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