锂离子电池过充电保护实验中着火、爆炸原因分析

锂离子电池具有体积小、容量大、重量轻、无污染、单节电压高、自放电率低、循环次数多等优点[1], 已经成为现代能源的重要组成部分。但是锂离子电池由于能量密度高, 因此难以确保电池充放电的安全性[2,3,4,5], 在使用的过程中就很可能出现起火和爆炸, 危害生命和财产安全。本文作者根据GB/T 18287-2000要求, 对四种不同厂家生产的手机锂离子电池进行安全保护性能测试, 并对实验中锂电池出现的起火、爆炸原因进行了详细分析。

1 实验

1.1 仪器与材料

BS-9300二次电池性能检测装置 (广州擎天) 、BT2000电池测试仪S/N:163901-T (美国ARBIN) 、8785电子负载 (100W) 、短路夹具、万能充电器夹具、数字多用表 (日本产) 。

实验电池为4种不同厂家生产的手机用锂离子电池, 编号:A、B、C、D, A标称容量为 (3.7V, 500mAh) 、B标称容量为 (3.7V, 650mAh) 、C标称容量为 (3.7V, 860mAh) 、D标称容量为 (3.7V, 860mAh) 。

1.2 实验方法

按照GB/T 18287-2000标准进行安全保护性能实验。

检测的项目包括:过充电保护、过放电保护、短路保护。

过充电保护实验:在环境温度20℃±5℃的条件下, 以0.2 C5A电流给电池充电, 当电池电压达到充电限制电压时, 改为恒压充电, 直到充电电流小于或等于0.0 1 C5A, 最长充电时间不大于8 h, 停止充电。将充满电的A、B、C、D实验手机锂离子电池分别接到BT2000电池测试仪S/N:163901-T的接口上, 用恒流恒压源持续给实验锂离子电池加栽8 h, 恒流恒压源电压设定为2倍标称电压, 电流设定为2 C 5 A的外接电流。

过放电保护实验:锂离子电池在环境温度2 0℃±5℃的条件下, 以0.2 C5A放电至终止电压, 外接8785电子负载 (100W) , 并将电阻调到3 0Ω负载放电2 4 h。

短路保护实验:锂离子电池按规定充电结束后, 将正负极用0.1Ω短路夹具短路1h。将正负极断开, 电池以1C5A电流充电5 s后用万用表测量电池电压, 电压应符合规定的要求。

2 结果与讨论

2.1 实验结果

4种手机锂离子电池在过充电保护实验中A发生爆炸、起火 (见图1) 。C有不同程度的鼓胀, D外型没有变化;4种手机锂离子电池在过放电保护实验、短路保护实验过程中其外型没有变化, 没有发生爆炸、起火、冒烟和漏夜。

2.2 原因分析

锂离子电池充放电的过程其实就是锂离子不同的迁移方向, 即从正到负, 从负到正 (图2) 。由于锂元素是比较活跃的化学元素, 导致在充放电过程中很有可能出现起火、爆炸等危险事故。

过充电保护、过放电保护、短路保护实验的目的是考察锂离子电池用户在使用过程中发生危险的机率。锂离子电池在过充电保护实验中发生起火和爆炸的因素主要有以下几点。

2.2.1 保护电路无效

锂离子电池因考虑充放电的安全, 都配有保护电路, 其主要由保护IC及2颗Power-MOSFET构成。当电池过度充电时, 电池会因温度上升而导致内压上升, 需终止当前充电的状态。此时, 集成保护电路IC需检测电池电压, 当到达4.25V时 (假设电池过充电压临界点为4.25V) 即激活过度充电保护, 将功率MOS由开转为切断, 进而截止充电[6]。当保护IC失效, 不能有效激活过度充电保护。恒流恒压源始终给电池2倍标称电压, 2C5A的电流充电, 在高倍率充电初期, 大部分电能通过可逆的化学反应而被储存, 电池发热功率小, 但是在充电后期由于发生了不可逆的化学反应, 电能变成了热能, 导致电池温度升高发生了一系列的化学反应。锂离子电池因温度上升而导致内压上升, 发生起火和爆炸。

2.2.2 电池芯结构不合理

电池芯主要有正极、负极、隔膜和电解液组成, 其材质选择、工艺控制和结构设计, 不仅影响电池的充放电特性, 更重要的是选择不当、工艺控制不好或结构设计不合理, 在过充电过程中, 容易出现电解液气化、电极短路和电池过热而发生爆炸和起火。

2.2.3 泄压装置失效或工作不可靠

泄压装置是电池外壳上有效调节电池内部压力安全装置。在过充电条件下, 产生大量的气体使电池内压增加, 内压到达一定程度泄压装置启动, 释放内压从而防止危险发生。泄压装置失效或工作不可靠时, 内压不断增加, 导致出现鼓胀现象, 当鼓胀现象比较严重时会导致电池芯结构损坏, 严重的会发生起火、爆炸。

2.2.4 电池散热性能不好[7]

过充时如果电池散热较好, 或者过充电流较小, 电池温度较低, 过充只发生电解液的分解, 此时电池仍然安全。如果电池散热较差或者高倍率充电导致电池温度进一步升高, 隔膜融化, 电池内部发生短路温度急剧升高, 引发正极材料参与反应, 最后发生爆炸、起火。

2.2.5 以上多种因素同时存在

2.2.6 实验电池A起火、爆炸原因分析

图3为实验电池A (标称容量:3.7V, 500mAh) 过充电状态下电压、电流与时间关系图, 恒流恒压源给实验电池A2倍标称电压 (7.4V) , 2C5A (1.0A) 的电流过充电, 从图中看出在过充电压、电流稳定在 (7.4V, 1.0A) 后, 不随时间变化, 过充电30分钟结束, 电池A发生起火和爆炸。

图4为实验电池D (标称容量:3.7V, 860mAh) 过充电状态下电压、电流与时间关系图, 恒流恒压源给实验电池D2倍标称电压 (7.4V) , 2C5A (1.72A) 的电流过充电, 从图中看出过充电压 (7.4V) 一直不变、电流最大 (0.31A) 并随着时间增加而减小, 8小时后过充电结束, 电池D没有发生变化。

通过对图3、图4图像分析比较得出:实验电池A起火和爆炸的原因主要是过充电保护电路无效。

过充电保护电路无效时恒流恒压源持续以0.2C5A电流对电池A进行过充电, 正极释放出大量锂离子, 经过电解液迁移至负极, 沉积在负极表面, 导致电池芯发生膨胀, 挤压甚至刺透隔膜引发短路。短路产生大量的热, 在小的空间无法散发, 导致高温, 高温又会导致电解液蒸发、分解和电极反应生成氧气、氢气。电池内压升高, 外壳中间部位强度低受压膨胀隆起, 氧气、氢气聚集在此混合, 发生起火和爆炸。

3 结语

依据GB/T 18287-2000要求, 对锂离子电池安全保护性能进行检测, 实验结果表明:锂离子电池设计和生产者必须重视保护电路的安全有效, 才能保证锂离子电池安全性能。

摘要：对四种手机锂离子电池进行安全保护性能检测, 其中一种电池在过充电保护实验中发生起火和爆炸。通过对实验电池发生起火和爆炸各种因素以及过充电状态下电压、电流与时间关系图综合分析与研究, 认为起火和爆炸的主要原因是过充电保护电路无效。实验结果表明, 部分锂离子电池在安全性能方面存在问题。

关键词：锂离子电池,过充电保护,起火,爆炸

参考文献

[1] 金里.锂离子电池及其保护电路[J].电子产品世界, 2000 (9) :14～17.

[2] 王彩娟, 宋杨, 金军.部分锂离子电池的安全问题[J].电池, 2008 (1) :25～26.

[3] 王静, 余仲宝, 储绪光, 等.锂离子电池热的安全性研究进展[J].电池, 2003, 33 (6) :388～391.

[4] 唐致远, 陈玉红, 卢星河, 等.锂离子电池安全性的研究进展[J].电池, 2006, 36 (1) :74～76.

[5] 唐致远, 陈玉红, 卢星河, 等.锂离子电池爆炸机理研究[J].化学进展, 2006, 18 (6) :823～831.

[6] 田中俊.锂电池的保护芯片的使用[J].中国集成电路, 2008, 115 (12) :79～81.

[7] 冯祥明, 郑金云, 李荣富等.锂电池安全, 电源技术, 2009 (1) :7～9.