锂电池,知多少?(三)
上次的文章我们对锂电池生产制造过程中的内短路风险进行了分析,近些年来,我们身边由锂电池引发的事故也频频出现。生活在现代化信息时代的我们,身边充斥着各类的锂电池物品,办公室里的笔记本电脑、路上行驶的电动汽车、手里的手机以及智能穿戴设备等等,这些都是由锂电池进行供能。本系列的最后一篇,我们来探讨锂电池在生活中的相关风险暴露。
2020年9月,家住西安的刘女士早上7点起床后,将手机放在卧室床头柜上进行充电,上午10点多发现手机爆炸了,当时手机屏幕掉在地上,地上满是电池炸开后的黑色颗粒物质。除了手机损坏外,床头柜及壁纸都有明显的灼烧痕迹,万幸发现及时没有造成人员伤亡。后经手机厂商的维修人员确认,此事件是因手机锂电池在充电过程中未能规范操作而导致的爆炸。
(刘女士手机爆炸图片)
锂电池主要由四部分组成,分别是正极、负极、隔膜和电解液。充电时,锂离子从正极中出来,经过电解液,穿过隔膜到达负极,放电时则相反。隔膜的作用就是阻隔正负极,防止短路的发生。这样的设计给锂电池带来了巨大的成功,但却也在多个方面埋下了隐患。
(锂电池内部构造)
在日常使用过程中,如何有效地避免发热、燃烧及爆炸等现象发生,对于控制锂电池使用过程中的可能存在的问题是至关重要的。从锂电池发生安全隐患事件的诱因上来看,相关风险的产生主要由如下因素导致:
环境的高温也会严重影响到锂电池的使用安全,由于电池导热速率相对较慢,虽然可以经受较短时间的热冲击,但如果热冲击的温度较高,就会导致电池负极表面SEI膜发生分解。高度嵌锂的负极材料就会与电解液发生放热反应,这时候由于散热速率较慢,电池内部温度不断升高,隔膜熔化,出现电池的热失控现象。
(热失控现象原理图)
经过多项研究发现,如果锂电池的表面被针刺或挤压,或在受到碰撞和挤压时电池内部的隔膜破裂,此时电池内部发生短路,造成电池在极短时间内有很大的电流流过,导致电池的内部温度急剧升高,从而引发一系列的剧烈反应,甚至是发生燃烧、爆炸等安全问题。
对于文章初始的新闻事件,目前的电池生产厂商,都采取了一系列措施,对电池的风险进行风险控制。
在使用说明书上做出安全事项标注:
不要混合使用充电器,特别是功率不同的充电器适配器。
不要在高温环境中使用锂电池。
不要使用有破损或缺陷的电池。
不要撞击电池。
使用有正规机构认证的锂电池。
以上是对锂电池日常使用过程中相关风险的简要分析。到此我们对于锂电池的研究也告一段落,从设计到生产到使用,锂电池虽然给我们的生活带来了很多便利,但由于自身固有的化学活性,我们就需要有针对性的控制可能存在的风险。
如有未尽之处也欢迎大家一起讨论。
资料来源:
陕西都市快报,手机充电中突然“爆炸”新闻
钜大LARGE,简述锂离子电池的安全问题
Kai Liu,Yayuan Liu,Dingchang Lin,Allen Pei andYi Cu,Materials for lithium-ion battery safety,Science Advances, 2018, 4 (6),i
赵飞,对锂电池安全问题的风险管理
张胜利,锂离子电池的研究与发展,电池工业出版社
鲁迪,TIAX电池防火监测技术,电子工程世界网