鋰電池內部微短路控制方法[朗讀]

歐方明。
（海軍駐昆明地區軍事代表室，昆明650000）。
摘要：分析了鋰電池內部微短路的危害及其成因，針對實際情況對鋰電池內部微短路模擬試驗的方法進行了歸納比較。分析與比較國際國內民用和特種電池安全標準，介紹了鋰電池內部微短路的控制方法。
1鋰電池內部微短路成因分析
2006年，鋰電池巨頭索尼公司的鋰電池造成數起戴爾牌筆記本電腦爆炸起火，引起美、日官方的重視。稍後，儘管採用了非常安全的a123磷酸鐵鋰電池，美國的豐田普銳斯混合動力汽車經第三方改裝後在行駛時燒毀。2011年，在杭州、上海及深圳都有新能源計程車及大巴燒毀事件。
顯然，即使採用鋰電池家族中最安全的磷酸鐵鋰體系，依然無法避免安全事故的發生。
從化學原理上進行分析，鋰電池的安全性比汽油還差。汽油儲存在密閉的金屬容器內，如果不同時發生泄漏（汽油和空氣接觸）和遇到明火（或者火星，引發作用）這兩個條件，是非常安全的；而鋰電池的能量則儲存於一層薄薄的隔膜兩側，氧化劑（正極活性物質）、還原劑（負極活性物質）在發生內部短路（引發作用）的情況下，將同時發生劇烈的化學反應和電化學反應，急劇發熱，並可能起火、燃燒、爆炸，對於有機溶劑體系的鋰電池來說就更容易燃燒一些。
在鋰電池的眾多失效模式中，單體電池內部短路無疑危害最大，最難以預測和分析，沒有辦法通過外部控制電路來進行保護。內部短路造成的高溫、高阻、還很容易造成電池組的連鎖反應。
目前廣泛認為單體電池內部短路的原因可能有：
1）吸附在隔膜表面或者單體電池殼體頂部、底部的粉塵。製造環境、工藝控制不良的情況下，會形成大量的正/負極片粉塵和焊接引起的金屬粉塵，並通過靜電作用吸附在隔膜表面。極片本身不夠光滑，粉體粘結強度不夠，本身也會造成這種問題。
2）卷繞/疊片時形成的正/負極片錯位。
3）金屬焊點、極片邊緣有毛刺。
4）隔膜兩側形成鋰枝晶，由於不均勻反應造成的局部電化學反應或過充電而形成鋰枝晶。
5）電解液分布不均勻造成正/負極片利用率不一致。
6）材料本身的問題。材料純度不高、與電解液相容性不好、正極金屬材料不耐高電壓、負極金屬材料與鋰形成合金，都可能形成雜質沉積或鋰枝晶。
7）外部因素。外部機械力的作用導致單體電池殼體變形並進而導致隔膜移位、破損，外界溫度過高導致隔膜過度收縮、破損，過充電、強制放電造成單體電池內部形成鋰枝晶，都可能造成內部短路。
2鋰電池內部微短路的模擬試驗方法
鑒於內部微短路對鋰電池安全的嚴重威脅，國際和國內各種鋰電池安全標準設計了很多相應的內短路模擬測試項目。這些模擬的測試方法主要有平板擠壓法、圓柱擠壓法、針刺、重物撞擊、金屬填埋法等等，其中金屬填埋法是在日本鋰離子電池在筆記本電腦中出現自燃後所誕生的新方法，目前主要用於二次電池。
日本的jis標準和美國的nasa標準採用了金屬填埋法，將微小的金屬片預先放置於單體電池內部扎穿隔膜，考察鋰電池在發生內部短路的情況下的安全性，非常直接。但是此法本身具備很大的危險性，最好採用機器人操作的方式。
重物撞擊是一種模擬內部短路的測試方法，一般是在電池上方放置一根金屬圓棒，然後利用重物撞擊此金屬圓棒，造成電池殼體變形產生內部短路。與擠壓法一樣，該法也存在一個不均衡的問題，即對殼體薄的電池不利，但事實上殼體薄的電池在發生內部短路時反而會安全一些。
槍擊試驗是將電池放置在大於25m距離的位置上，然後用槍射擊造成電池內部短路。此法為gjb 2374所創，除了我國的特種標準，其他的一般標準中沒有此項目。
針刺試驗是在電池中插入一金屬針，直接造成電池內部的正負極接觸短路，過於激烈，不能很好地模擬內部微小的短路情況，因為成品電池中往往不會出現這種激烈的內部短路，如果存在的話早已在製造過程中就被發現了。針刺試驗方法被1995版本的美國ul1642標準所採用，但在後續ul 1642版本中都刪除了這一試驗方法。而正在研製中的ul 2580，可能採用較為溫和的鈍針刺來模擬內部微短路，這種試驗更接近微短路的真實情況。
擠壓試驗是常用的模擬內部微短路的方法，絕大部分電池安全標準中都有這種方法，但是擠壓的方法差別非常大，主要有平板擠壓法和圓柱擠壓法等等，最新的iec 62660-2:2010中關於擠壓試驗的方法，則可以看成是綜合吸收了平板擠壓法、圓柱擠壓法、針刺、重物撞擊、金屬填埋法的優點而設計的一種方法。我國在修訂gjb 2374a的研討過程中，考慮到現有技術中有些電池使用平板擠壓法無法實施擠壓、用圓柱擠壓法又對微短路出現標準不清的情況，採用了平板擠壓法和圓柱擠壓法多種選項，根據實際電池情況選擇確定，其中把電池電壓的突變作為發生微短路現象的標誌，這基本上是合理的。
3鋰電池內部微短路危害控制方法
鋰電池內部微短路危害控制必須從單體電池設計、材料選擇、環境工藝控制等諸多方面來防止內部微短路。此外，為了將單體電池的內部短路造成的影響控制在最小範圍，不至於造成連鎖反應，還必須在電池組的設計中注意以下問題。
1）單體電池過熱隔離裝置。
單體電池過熱隔離裝置可以在單體電池發生內部短路或外力撞擊時起到隔離作用，停止電池組對失效單體電池的充電/強制過放電作用，並防止失效單體電池的高溫、火焰、爆炸物引起相鄰單體電池的連鎖放應，從而起到阻斷作用。
2）單體電池連接措施。
電池組中單體電池的電學連接措施（例如電線、鎳帶、固定螺絲）的脫落或虛焊會使局部電阻過高，造成脫落點區域的高溫，並引起臨近單體電池的內部短路。
3）儘量減小單體電池的能量。
一般認為單體電池的能量越大，成組電池串並聯的數量就越少，可靠性越高，這從串並聯成組的可靠性分析來說是正確的。但是如果單體電池的能量過大，一旦出現失控反應後對電池組的破壞力就越大，從原理上來說就越容易產生整個電池組的連鎖反應，造成不可控的局面。因此選擇合適的單體電池能量設計是很重要的。
4）單體電池的串並聯方式。
單體電池的串並聯方式、數目也對單體電池的內部短路、連鎖反應有著很大的影響。例如，串聯容易造成某個單體電池強制放電，並聯容易造成某個單體電池強制充電，都可能造成單體電池的內部壓力、電流過大，從而形成內部短路。
這需要在單體電池的一致性方面和電池組的對稱性設計方面多做研究和改進。
5）溫度控制系統。
需要利用溫度控制系統將單體電池、電池組的溫度控制在安全的範圍內以保障安全性。溫度監控系統、強制風冷、水冷、油冷都已經有應用的實例，並以逐步出現在相應的標準中。