鋰離子電池安全問題再認(rèn)識

　　如今鋰離子電池不僅作為各類消費型電子產(chǎn)品最主要的電源，還廣泛應(yīng)用于電動工具、電動自行車、電動汽車、儲能等領(lǐng)域。經(jīng)過20多年的發(fā)展過程，鋰離子電池的性能顯著提高：

　　電池容量以及比能量不斷提高，循環(huán)次數(shù)一路增長，價格持續(xù)下降。但困擾其發(fā)展的頭號難題——安全性卻一直未能得到有效解決。鋰離子電池一旦發(fā)生安全事故，不僅僅會造成財產(chǎn)損失，還有可能造成人身傷害乃至死亡。安全問題已經(jīng)成為影響鋰離子電池新興市場發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。

　　單體電池安全問題不容忽視

　　鋰離子單體的電池主要用在手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等小型消費電子產(chǎn)品上。在2006年之前，由于自動化技術(shù)不成熟、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)不完善以及檢測技術(shù)不過關(guān)等因素，單體電池偶爾會發(fā)生過熱起火、爆炸等安全事故，有時也造成失火事故乃至傷人事件。隨著技術(shù)進(jìn)步，這些安全事故發(fā)生概率逐步降低，但在2013年，有人因在蘋果手機(jī)充電時打電話造成漏電被電擊致死，還有一人的蘋果手機(jī)電池發(fā)生自燃。單體電池的安全問題再一次引起人們關(guān)注。

　　單體電池的安全問題一般都是由于電池非正常使用情況如過充、過熱或短路等熱失控造成的，表現(xiàn)為電池變形、漏液、起火、爆炸等。鋰離子電池之所以會發(fā)生安全問題，與其固有結(jié)構(gòu)分不開。

　　鋰離子電池主要有正極材料、負(fù)極材料、電解液、隔膜組成。正常充電情況時，鋰離子電解液中進(jìn)入正極材料，負(fù)極一側(cè)電解液中的鋰離子通過隔膜進(jìn)入正極一側(cè)的電解液，負(fù)極材料上金屬鋰變成鋰離子進(jìn)入電解液。但在非正常使用情況下，一旦正極材料穩(wěn)定性稍差，就極易釋放出氧氣，與電解液中的碳酸酯發(fā)生反應(yīng)，放出大量的熱和氣體，而負(fù)極材料中還有活性強(qiáng)的金屬鋰，與氧氣接觸會立即燃燒并引燃電解液、隔膜等。尤其是鋁殼鋰離子電池，由于外殼具有一定強(qiáng)度，使得大量的熱量和氣體在內(nèi)部急劇，從而引起爆炸。

　　此前大部分人都以為，聚合物鋰離子電池比液態(tài)電解液的鋰離子電池更安全，原因是聚合物電池的電解液為膠狀、半固態(tài)，著火點更高，同時聚合物電池可以使用軟包裝，可以更早的突破殼體，避免氣體和熱量聚集過多。但今年以來的聚合物電池引發(fā)的安全事故顛覆了這一認(rèn)識。聚合物電池同樣使用正負(fù)極材料、隔膜和有機(jī)電解液，而且電解液為膠狀，不易泄漏，將會發(fā)生更猛烈的燃燒。燃燒也是聚合物電池安全性最大的問題。

　　可見，安全問題是鋰離子電池的本質(zhì)屬性，只能通過技術(shù)手段如采用更加安全的電池材料、防爆閥、保護(hù)電路等手段以及提高生長過程中質(zhì)量控制水平，最大限度降低安全事故發(fā)生概率。尤其是保護(hù)電路，它能在過充、過熱或者短路時快速切斷電流，對保護(hù)電池安全極為重要。

　　電池組安全問題聚焦

　　對于鋰離子電池來說，目前安全問題更為突出的還是在動力電池即電池組。一方面在于電池組發(fā)生安全事故的頻率遠(yuǎn)高于單體電池，僅在2013年就發(fā)生了超過十起由電池組引起的電動汽車安全事故，包括起火、運行故障等，而由電池組引發(fā)的電動自行車的安全事故見報道的就超過了數(shù)百起。更重要的原因是電池組引發(fā)的安全事故的危害以及影響力大大超過單體電池。如波音客機(jī)上鋰離子電池組起火不僅影響了波音公司信譽，還幾乎導(dǎo)致鋰離子電池退出飛機(jī)應(yīng)用市場。而電動汽車市場發(fā)展不如預(yù)期，電池安全問題也是非常重要的因素之一。

　　鋰離子電池組的結(jié)構(gòu)基本相似，都是借助電源管理系統(tǒng)將多個單體電池通過串并聯(lián)的方式連接起來，實現(xiàn)穩(wěn)定的電壓和能量輸出/輸入。鋰離子電池組的安全問題除了單體電池本身造成之外，還與電池組的容量以及大小有關(guān)。容量高的電池放熱量高，體積大的電池組散熱相對困難，熱量更容易被累積，從而導(dǎo)致熱失控。筆記本電腦的6芯鋰離子電池重量約為400g，電動自行車所用鋰離子電池組的重量約為4kg，電動汽車則要用到更大電池，如特斯拉公司ModelS的原型車使用的鋰離子電池組高達(dá)400kg以上，就更容易引發(fā)安全事故。

　　如果不考慮單體電池安全因素，鋰離子電池組的安全問題是可以避免的，只要保證每個電池的散熱良好以及保護(hù)電路及時有效。但實際上這一點很難實現(xiàn)，主要在于電池組都是將多個單體電池置于一個狹小的空間內(nèi)，難以保證每個電池都能散熱良好。同時由于各個電池所處環(huán)境不同，其發(fā)熱情況也有所差異。這大大增加了電池管理難度，給電池管理系統(tǒng)帶來極大的不確定性。一旦電源管理系統(tǒng)無法正常工作，電池組發(fā)生安全事故的可能性就非常高。

　　對于筆記本電池而言，由于其單體電池數(shù)量較少，各個電池環(huán)境變化相對較小，管理難度較低，尤其是隨著單體電池安全性提高以及電池管理技術(shù)進(jìn)步，現(xiàn)已基本沒發(fā)生安全事故。但對于電動自行車和電動汽車電池而言，其單體電池數(shù)量幾十個至幾千個不等，各個電池環(huán)境變化相對較小，管理難度非常大，沒有極為先進(jìn)的電池管理系統(tǒng)，很難保證不發(fā)生安全事故。事實也證明了這一點，動力電池引發(fā)的安全事故比比皆是。我國電動自行車起火事件頻發(fā)，包括通用、卡瑪、日產(chǎn)、比亞迪等幾乎所有品牌都發(fā)生過由電池組引發(fā)的安全事故，唯一例外的是特斯拉。特斯拉的電池組采用了6000多個單體電池，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他電動汽車廠商，但憑借其強(qiáng)大的電池管理系統(tǒng)，特斯拉至今未發(fā)生一起有電池組引發(fā)的安全事故。

　　由此可見，鋰離子電池組的安全問題是可以解決的，采用安全性更高的單體電池、合理安排電池結(jié)構(gòu)以及強(qiáng)大的電池管理系統(tǒng)等手段可以最大程度降低安全事故發(fā)生概率。特斯拉恰恰證明了這一點，其表現(xiàn)值得每一個動力電池組生產(chǎn)企業(yè)和電動汽車廠商學(xué)習(xí)。

　　安全警鐘長鳴

　　鋰離子電池安全問題格外突出。目前部分企業(yè)、社會輿論對此缺乏全面、清醒的認(rèn)識：要么一葉障目，認(rèn)為鋰離子電池安全問題不可能完全根治，對行業(yè)整體的發(fā)展持過度悲觀情緒;要么對出現(xiàn)的問題視而不見，在處理問題的過程中不予積極配合。重視正視安全，是解決鋰離子電池安全問題的前提。

　　由于鋰離子電池引發(fā)的安全事故多數(shù)發(fā)生在運輸、使用階段，各方往往把安全事故原因多歸結(jié)于外部因素，忽視了鋰離子電池自身因素，造成了希望通過外部檢驗來發(fā)現(xiàn)和防范鋰離子電池存在的安全因素。但這只能治標(biāo)不能治本。因為鋰離子電池的安全性是設(shè)計和制造出來的，不是檢測出來的。檢測只能防止不合格產(chǎn)品流入市場，從而避免其引發(fā)的安全事故，但對于檢測的合格產(chǎn)品引發(fā)的安全事故無濟(jì)于事。而當(dāng)前發(fā)生安全事故的鋰離子電池基本上都是合格產(chǎn)品。因此要想到達(dá)治本的目的，就需要從鋰離子電池自身因素著手，在電池設(shè)計、選材、生產(chǎn)工藝以及成組技術(shù)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)下功夫。

　　首先，電池材料的選材非常重要，如其中存在雜質(zhì)或制造精度控制差都將有可能引發(fā)安全事故，為此所有原材料都應(yīng)該進(jìn)行入廠檢驗，并控制其生產(chǎn)過程的一致性。

　　其次，電池結(jié)構(gòu)設(shè)計要充分考慮鋰離子電池安全性要求，重點在電極容量平衡、電極設(shè)計、極耳設(shè)計、泄露裝置、短路保護(hù)電路等方面。

　　第三，單體電池生產(chǎn)環(huán)節(jié)的每道工序都存在影響電池安全以及同一批次電池一致性的風(fēng)險因素，必須進(jìn)行預(yù)防和控制。這也是影響電池安全最重要的環(huán)節(jié)，我國電池生產(chǎn)企業(yè)尤其是要提高生產(chǎn)環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制點。

　　最后，成組技術(shù)需要考慮電池組整體設(shè)計以及封裝過程對安全性的影響。整體設(shè)計安全性要突出考慮阻燃、絕緣、過熱短路、內(nèi)部配線等;封裝過程則是要保證一致性和可靠性。

　　安全問題不是不能解決，需要各方充分認(rèn)識并予以高度關(guān)注，生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)過程中加強(qiáng)質(zhì)量控制，監(jiān)管部門要加強(qiáng)生產(chǎn)過程安全控制監(jiān)管力度，檢測環(huán)節(jié)要提高檢測水平。只有這樣，安全問題才能得到解決，鋰離子電池才會迎來下一個快速發(fā)展期。