鋰離子電池安全問題再認識

　　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、數(shù)碼相機等小型消費電子產(chǎn)品上。在2006年之前，由于自動化技術(shù)不成熟、產(chǎn)品標準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，有人因在蘋果手機充電時打電話造成漏電被電擊致死，還有一人的蘋果手機電池發(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，鋰離子電解液中進入正極材料，負極一側(cè)電解液中的鋰離子通過隔膜進入正極一側(cè)的電解液，負極材料上金屬鋰變成鋰離子進入電解液。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，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(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。尤其是保護電路，它能在過充、過熱或者短路時快速切斷電流，對保護電池安全極為重要。

　　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。如波音客機上鋰離子電池組起火不僅影響了波音公司信譽，還幾乎導致鋰離子電池退出飛機應用市場。而電動汽車市場發(fā)展不如預期，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，遠遠超過其他電動汽車廠商，但憑借其強大的電池管理系統(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)和電動汽車廠商學習。

　　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、清醒的認識：要么一葉障目，認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。但這只能治標不能治本。因為鋰離子電池的安全性是設計和制造出來的，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(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該進行入廠檢驗，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(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險因素，必須進行預防和控制。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計以及封裝過程對安全性的影響。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，需要各方充分認識并予以高度關(guān)注，生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)過程中加強質(zhì)量控制，監(jiān)管部門要加強生產(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。