鋰離子電池安全問(wèn)題再認識

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

　　電池容量以及比能量不斷提高，循環(huán)次數一路增長(cháng)，價(jià)格持續下降。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(huì )造成財產(chǎn)損失，還有可能造成人身傷害乃至死亡。安全問(wèn)題已經(jīng)成為影響鋰離子電池新興市場(chǎng)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。

　　單體電池安全問(wèn)題不容忽視

　　鋰離子單體的電池主要用在手機、數碼相機等小型消費電子產(chǎn)品上。在2006年之前，由于自動(dòng)化技術(shù)不成熟、產(chǎn)品標準不完善以及檢測技術(shù)不過(guò)關(guān)等因素，單體電池偶爾會(huì )發(fā)生過(guò)熱起火、爆炸等安全事故，有時(shí)也造成失火事故乃至傷人事件。隨著(zhù)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(píng)果手機充電時(shí)打電話(huà)造成漏電被電擊致死，還有一人的蘋(píng)果手機電池發(fā)生自燃。單體電池的安全問(wèn)題再一次引起人們關(guān)注。

　　單體電池的安全問(wèn)題一般都是由于電池非正常使用情況如過(guò)充、過(guò)熱或短路等熱失控造成的，表現為電池變形、漏液、起火、爆炸等。鋰離子電池之所以會(huì )發(fā)生安全問(wèn)題，與其固有結構分不開(kāi)。

　　鋰離子電池主要有正極材料、負極材料、電解液、隔膜組成。正常充電情況時(shí)，鋰離子電解液中進(jìn)入正極材料，負極一側電解液中的鋰離子通過(guò)隔膜進(jìn)入正極一側的電解液，負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，放出大量的熱和氣體，而負極材料中還有活性強的金屬鋰，與氧氣接觸會(huì )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度，使得大量的熱量和氣體在內部急劇，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(zhù)火點(diǎn)更高，同時(shí)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(guò)多。但今年以來(lái)的聚合物電池引發(fā)的安全事故顛覆了這一認識。聚合物電池同樣使用正負極材料、隔膜和有機電解液，而且電解液為膠狀，不易泄漏，將會(huì )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(wèn)題。

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

　　電池組安全問(wèn)題聚焦

　　對于鋰離子電池來(lái)說(shuō)，目前安全問(wèn)題更為突出的還是在動(dòng)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高于單體電池，僅在2013年就發(fā)生了超過(guò)十起由電池組引起的電動(dòng)汽車(chē)安全事故，包括起火、運行故障等，而由電池組引發(fā)的電動(dòng)自行車(chē)的安全事故見(jiàn)報道的就超過(guò)了數百起。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(guò)單體電池。如波音客機上鋰離子電池組起火不僅影響了波音公司信譽(yù)，還幾乎導致鋰離子電池退出飛機應用市場(chǎng)。而電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)發(fā)展不如預期，電池安全問(wèn)題也是非常重要的因素之一。

　　鋰離子電池組的結構基本相似，都是借助電源管理系統將多個(gè)單體電池通過(guò)串并聯(lián)的方式連接起來(lái)，實(shí)現穩定的電壓和能量輸出/輸入。鋰離子電池組的安全問(wèn)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，從而導致熱失控。筆記本電腦的6芯鋰離子電池重量約為400g，電動(dòng)自行車(chē)所用鋰離子電池組的重量約為4kg，電動(dòng)汽車(chē)則要用到更大電池，如特斯拉公司ModelS的原型車(chē)使用的鋰離子電池組高達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(wèn)題是可以避免的，只要保證每個(gè)電池的散熱良好以及保護電路及時(shí)有效。但實(shí)際上這一點(diǎn)很難實(shí)現，主要在于電池組都是將多個(gè)單體電池置于一個(gè)狹小的空間內，難以保證每個(gè)電池都能散熱良好。同時(shí)由于各個(gè)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，給電池管理系統帶來(lái)極大的不確定性。一旦電源管理系統無(wú)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，由于其單體電池數量較少，各個(gè)電池環(huán)境變化相對較小，管理難度較低，尤其是隨著(zhù)單體電池安全性提高以及電池管理技術(shù)進(jìn)步，現已基本沒(méi)發(fā)生安全事故。但對于電動(dòng)自行車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)電池而言，其單體電池數量幾十個(gè)至幾千個(gè)不等，各個(gè)電池環(huán)境變化相對較小，管理難度非常大，沒(méi)有極為先進(jìn)的電池管理系統，很難保證不發(fā)生安全事故。事實(shí)也證明了這一點(diǎn)，動(dòng)力電池引發(fā)的安全事故比比皆是。我國電動(dòng)自行車(chē)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(guò)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(gè)單體電池，遠遠超過(guò)其他電動(dòng)汽車(chē)廠(chǎng)商，但憑借其強大的電池管理系統，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(jiàn)，鋰離子電池組的安全問(wèn)題是可以解決的，采用安全性更高的單體電池、合理安排電池結構以及強大的電池管理系統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(diǎn)，其表現值得每一個(gè)動(dòng)力電池組生產(chǎn)企業(yè)和電動(dòng)汽車(chē)廠(chǎng)商學(xué)習。

　　安全警鐘長(cháng)鳴

　　鋰離子電池安全問(wèn)題格外突出。目前部分企業(yè)、社會(huì )輿論對此缺乏全面、清醒的認識：要么一葉障目，認為鋰離子電池安全問(wèn)題不可能完全根治，對行業(yè)整體的發(fā)展持過(guò)度悲觀(guān)情緒;要么對出現的問(wèn)題視而不見(jiàn)，在處理問(wèn)題的過(guò)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(wèn)題的前提。

　　由于鋰離子電池引發(fā)的安全事故多數發(fā)生在運輸、使用階段，各方往往把安全事故原因多歸結于外部因素，忽視了鋰離子電池自身因素，造成了希望通過(guò)外部檢驗來(lái)發(fā)現和防范鋰離子電池存在的安全因素。但這只能治標不能治本。因為鋰離子電池的安全性是設計和制造出來(lái)的，不是檢測出來(lái)的。檢測只能防止不合格產(chǎn)品流入市場(chǎng)，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(wú)濟于事。而當前發(fā)生安全事故的鋰離子電池基本上都是合格產(chǎn)品。因此要想到達治本的目的，就需要從鋰離子電池自身因素著(zhù)手，在電池設計、選材、生產(chǎn)工藝以及成組技術(shù)等關(guān)鍵環(huán)節下功夫。

　　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該進(jìn)行入廠(chǎng)檢驗，并控制其生產(chǎn)過(guò)程的一致性。

　　其次，電池結構設計要充分考慮鋰離子電池安全性要求，重點(diǎn)在電極容量平衡、電極設計、極耳設計、泄露裝置、短路保護電路等方面。

　　第三，單體電池生產(chǎn)環(huán)節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)行預防和控制。這也是影響電池安全最重要的環(huán)節，我國電池生產(chǎn)企業(yè)尤其是要提高生產(chǎn)環(huán)節的質(zhì)量控制點(diǎn)。

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

　　安全問(wèn)題不是不能解決，需要各方充分認識并予以高度關(guān)注，生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中加強質(zhì)量控制，監管部門(mén)要加強生產(chǎn)過(guò)程安全控制監管力度，檢測環(huán)節要提高檢測水平。只有這樣，安全問(wèn)題才能得到解決，鋰離子電池才會(huì )迎來(lái)下一個(gè)快速發(fā)展期。