移動(dòng)電話用鋰離子電池安全性影響因子研究

龐 瑤，張霄霄，楊夢(mèng)薇

(北京市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院，北京101300)

移動(dòng)電話用鋰離子電池安全性影響因子研究

龐 瑤，張霄霄，楊夢(mèng)薇

(北京市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院，北京101300)

針對(duì)移動(dòng)電話用鋰離子電池產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行分析，并依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展試驗(yàn)驗(yàn)證，得到安全性影響因子，并針對(duì)關(guān)鍵性影響因子進(jìn)行研究，給出應(yīng)對(duì)建議，為控制鋰離子電池產(chǎn)品質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，完善質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)的系統(tǒng)監(jiān)管，進(jìn)一步為確定移動(dòng)電話用鋰離子電池產(chǎn)品安全風(fēng)險(xiǎn)奠定基礎(chǔ)。

鋰離子電池;安全性;影響因子

移動(dòng)電話用鋰離子電池近年來(lái)使用量不斷增大,作為一種充電鋰離子電池，主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間的移動(dòng)來(lái)工作，由于鋰的化學(xué)性質(zhì)非?；顫?，導(dǎo)致不合格電池引發(fā)的爆炸、著火等傷害案例時(shí)有發(fā)生[1]。

本文從移動(dòng)電話用鋰離子電池安全性角度出發(fā)，依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展試驗(yàn)，識(shí)別不同的安全性影響因子并進(jìn)行分析，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰離子電池產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)的系統(tǒng)監(jiān)管，為進(jìn)一步確定移動(dòng)電話用鋰離子電池產(chǎn)品安全風(fēng)險(xiǎn)奠定基礎(chǔ)。

圖1 鋰離子電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1 鋰離子電池產(chǎn)品安全性影響因子的確定

1.1 鋰離子電池結(jié)構(gòu)及工作原理

移動(dòng)電話用鋰離子電池主要由正極耳、負(fù)極耳、絕緣片、正極、負(fù)極、隔膜、塑料包裝膜等組成，見(jiàn)圖1。

由電池的結(jié)構(gòu)可見(jiàn)，電池內(nèi)部采用螺旋繞制結(jié)構(gòu)[2]，采用隔離材料在正負(fù)極間間隔而成，當(dāng)隔膜材料發(fā)生破壞時(shí)，正極與負(fù)極將直接接觸，會(huì)導(dǎo)致短路，產(chǎn)生爆炸、著火等危險(xiǎn)。此外，鋰離子電池的充放電過(guò)程就是鋰離子的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，由于鋰的化學(xué)性質(zhì)非?；顫姡?dāng)鋰離子電池被誤用或?yàn)E用時(shí)，電池內(nèi)部容易升溫，活化過(guò)程中所產(chǎn)生的過(guò)量氣體膨脹，內(nèi)壓加大，也容易燃燒或膨脹爆炸。

因此，移動(dòng)電話用鋰離子電池存在較高的安全風(fēng)險(xiǎn)，只有通過(guò)分析其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)生安全風(fēng)險(xiǎn)的影響因子，才能實(shí)現(xiàn)在生產(chǎn)環(huán)節(jié)重點(diǎn)加以監(jiān)管與控制，提高產(chǎn)品的安全水平。

1.2 檢驗(yàn)項(xiàng)目的確定

隨機(jī)在市場(chǎng)上選購(gòu)了60批次的移動(dòng)電話用鋰離子電池產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn),依據(jù)GB 31241-2013《便攜式電子產(chǎn)品用鋰離子電池和電池組》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)項(xiàng)目的選擇主要是根據(jù)近年來(lái)國(guó)外通報(bào)、召回案例和國(guó)內(nèi)發(fā)生的傷害案例，選取了當(dāng)產(chǎn)品本身存在安全風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，在消費(fèi)者誤操作的情況下可能產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)的項(xiàng)目，包括重物沖擊、熱濫用和燃燒噴射。

重物沖擊項(xiàng)目是考核鋰離子電池在碰撞和粗暴裝卸的情形中電池的質(zhì)量狀況；熱濫用項(xiàng)目是考核鋰離子電池遭受極端高溫的情形時(shí)是否會(huì)發(fā)生爆炸；燃燒噴射項(xiàng)目是考核鋰離子電池在置于火焰中產(chǎn)生爆炸時(shí)的危害程度。

1.3 檢驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)與分析

依據(jù)GB 31241-2013《便攜式電子產(chǎn)品用鋰離子電池和電池組》標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)要求進(jìn)行試驗(yàn)，重物沖擊、熱濫用和燃燒噴射三個(gè)項(xiàng)目均出現(xiàn)不合格，結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖2。

圖2 檢驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)圖

結(jié)合鋰離子電池結(jié)構(gòu)和工作原理，對(duì)于檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。重物沖擊試驗(yàn)有4個(gè)產(chǎn)品發(fā)生著火現(xiàn)象，通過(guò)分析，主要原因是正極與負(fù)極之間的隔膜層在外部沖擊力的作用下破裂，使得正負(fù)極形成短路，發(fā)生著火，同時(shí)由于正極離子和負(fù)極離子大面積聚集在一起，分子的劇烈運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了大量的熱量，使得內(nèi)部迅速充滿了氣體，氣體從破損處可以排出，但大量熱量的不斷增加引燃了電池本體中易燃的材料，從而出現(xiàn)了著火的現(xiàn)象。

熱濫用試驗(yàn)有9個(gè)產(chǎn)品發(fā)生起火燃燒的現(xiàn)象，高溫條件下電池內(nèi)部產(chǎn)生氣體造成內(nèi)壓過(guò)大，帶有泄氣閥或非密封型的電池能夠使壓力瀉出，防止爆炸；此項(xiàng)試驗(yàn)另一方面也是考查電池的材料，隔膜應(yīng)具有熱穩(wěn)定性和自動(dòng)關(guān)斷保護(hù)性能，當(dāng)電池內(nèi)部溫度高到130℃時(shí)，質(zhì)量好的隔膜，會(huì)將細(xì)孔關(guān)閉，電化學(xué)反應(yīng)終止或近乎終止，電流驟降，溫度也慢慢下降，進(jìn)而避免了爆炸發(fā)生。但是，質(zhì)量差的隔膜，細(xì)孔關(guān)閉率低或是根本不會(huì)關(guān)閉，會(huì)讓電池溫度繼續(xù)升高，更多的電解液氣化，最后將電池外殼撐破爆炸，甚至將電池溫度提高到使材料燃燒。

燃燒噴射試驗(yàn)，當(dāng)用火焰加熱鋰離子電池時(shí)，能夠引燃電池外殼材料，由于高溫使得電池內(nèi)部的分子劇烈運(yùn)動(dòng)，不斷產(chǎn)生氣體，在持續(xù)燃燒的過(guò)程中壓力不斷增大，帶有泄氣閥或非密封型的電池會(huì)將過(guò)大的壓力釋放，釋放中電池由于氣壓變化發(fā)生竄動(dòng)；無(wú)泄氣閥或密封型的電池泄氣效果差，因壓力過(guò)大發(fā)生爆炸。由于電池使用的外殼材質(zhì)不同，硬度過(guò)大的金屬材質(zhì)部件，在電池爆炸過(guò)程中任意飛濺，能量過(guò)大會(huì)對(duì)人身造成傷害，不合格產(chǎn)品測(cè)試圖見(jiàn)圖3。

圖3 燃燒噴射試驗(yàn)不合格產(chǎn)品圖

結(jié)合試驗(yàn)分析，移動(dòng)電話用鋰離子電池的風(fēng)險(xiǎn)主要是在非正常的使用環(huán)境下,可能發(fā)生著火、爆炸等危險(xiǎn)。而導(dǎo)致著火、爆炸的最主要原因是隔膜受損導(dǎo)致內(nèi)部短路，或是內(nèi)部溫度不斷升高，電解質(zhì)氣化，且無(wú)法排出，最后將電池外殼撐破。因此，影響安全性的主要原因是原材料的質(zhì)量較差和生產(chǎn)工藝水平較低，例如在生產(chǎn)過(guò)程中生產(chǎn)潔凈度和干燥度不夠，讓太多水分和雜志進(jìn)入電池。而其中隔膜、泄氣閥和電解質(zhì)又是影響安全性的最主要因素。

2 鋰離子電池產(chǎn)品安全性影響因子的分析

2.1 隔膜

隔膜是鋰離子電池的重要組成部分，在隔離正負(fù)極的同時(shí)，要保證離子自由通過(guò)并阻止電子流動(dòng)[3]。

目前，對(duì)于隔膜的性能評(píng)價(jià)主要從物理特性、機(jī)械性能和熱性能三大方面進(jìn)行。其中物理性能主要包括隔膜的厚度、彎曲度、透氣度、孔隙率和曲折度等；機(jī)械性能主要包括穿刺強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率和混合穿刺強(qiáng)度等；熱性能主要包括熱收縮率、熔融破斷溫度、閉孔溫度等[4]。

結(jié)合試驗(yàn)情況，質(zhì)量好的隔膜需要兼顧以上三方面的特性，不僅要具有一定的孔徑和孔隙率，并且在保持良好力學(xué)性能的同時(shí)厚度盡可能小，從而能夠更好地起到傳遞能量的作用；同時(shí)，當(dāng)有重物施加到電池的力使得寬表面和窄表面同時(shí)承受擠壓時(shí)，也要求隔膜不但要薄而且要有一定的強(qiáng)度韌性，在外來(lái)沖擊力擠壓和穿刺的情況下不容易產(chǎn)生破損；此外良好的閉孔溫度也能夠保證在溫度過(guò)高時(shí)終止電化學(xué)反應(yīng)，避免溫度過(guò)高導(dǎo)致爆炸發(fā)生。

因此，移動(dòng)電話用鋰電池隔膜的性能直接影響電池的安全性。

2.2 安全閥

移動(dòng)電話用鋰離子電池應(yīng)裝有安全閥，以便電池在不正常狀態(tài)下快速排出內(nèi)部聚集的氣體，防止爆炸。但是目前部分小企業(yè)為了降低成本，缺少安全閥的結(jié)構(gòu)。

安全閥一般是電池頂蓋內(nèi)有一個(gè)彈片，如果氣壓過(guò)大，彈片會(huì)彈出，使氣孔打開(kāi)，讓氣體釋放；此外另一種是在電池上預(yù)先留有泄氣口，也同樣能起到安全閥的作用。

電池的結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)為在內(nèi)部聚集氣體時(shí)，泄氣閥先于外殼受力，將氣體排出。但是部分企業(yè)由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)，將電池頂蓋粘接過(guò)緊，彈片不易彈出，導(dǎo)致外殼先于泄氣閥受力，外殼在氣體壓力作用下飛竄，對(duì)于使用者同樣存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

因此，一方面電池中要設(shè)置泄氣的結(jié)構(gòu)，另一方面好的生產(chǎn)工藝也有利于產(chǎn)品安全性的發(fā)揮。

2.3 電解質(zhì)

眾所周知，電池內(nèi)充有電解質(zhì)，在電池中正負(fù)極之間起到傳導(dǎo)電子的作用，是鋰離子電池獲得高電壓、高比能等優(yōu)點(diǎn)的保證。目前的電解質(zhì)分為固態(tài)電解質(zhì)和液態(tài)電解質(zhì)。電解質(zhì)一般由高純度的有機(jī)溶劑、電解質(zhì)鋰鹽(六氟磷酸鋰，LiPF6)、必要的添加劑等原料，在一定條件下，按一定比例配制而成的。

質(zhì)量較差的電解質(zhì)在一定條件下會(huì)分解過(guò)多水分，在密閉的電池內(nèi)部，當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，可以短時(shí)間讓電池產(chǎn)生高溫并讓內(nèi)部的液體以及少量的蒸汽膨脹形成大量氣體，來(lái)不及從泄氣閥中排除從而短時(shí)間形成高溫高壓，導(dǎo)致爆炸。因此，電解質(zhì)質(zhì)量同樣是影響鋰離子電池安全性的重要因素。

通過(guò)分析可見(jiàn)，隔膜、安全閥和電解質(zhì)三部分雖然都直接影響著產(chǎn)品的安全性，但是彼此之間又相互作用，只有各個(gè)部件的質(zhì)量均達(dá)到安全要求，才能最大程度地提高產(chǎn)品的安全性。

3 鋰離子電池產(chǎn)品安全性風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)

在鋰離子電池產(chǎn)品的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)中，原材料的選擇、質(zhì)量以及生產(chǎn)過(guò)程中工藝情況是鋰離子電池產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)控制的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。控制好原材料的產(chǎn)品質(zhì)量可以很大程度上控制產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生[5]。

通過(guò)本文分析，影響安全性因素較大的原材料主要為隔膜、安全閥和電解質(zhì)。因此我們建議生產(chǎn)企業(yè)在移動(dòng)電話用鋰離子電池生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)重視選取質(zhì)量較好的隔膜材料、有效的安全閥設(shè)置、合格的電解質(zhì)，并提高生產(chǎn)工藝水平，是減少移動(dòng)電話用鋰離子電池安全風(fēng)險(xiǎn)的重要措施。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)確定移動(dòng)電話用鋰離子電池產(chǎn)品安全性影響因子，對(duì)于關(guān)鍵的影響因子進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)關(guān)鍵因素的研究，提出減少安全風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)對(duì)方法，對(duì)于提升產(chǎn)品質(zhì)量具有積極的作用。

[1]中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB 31241-2014便攜式電子產(chǎn)品用鋰離子電池和電池組安全要求[S].北京：中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)，2014.

[2]陳基,黃文杰.關(guān)于鋰電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2013(7):18-19.

[3]李星緯,李曉東，張穎彧，等.EVOH磺酸鋰電池隔膜的制備及微觀形貌[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào),2013,18(5):18-21.

[4]湯雁,蘇曉倩,劉浩杰.鋰電池隔膜測(cè)試方法評(píng)述[J].信息記錄材料,2014,15(2):43-50.

[5]龐瑤.鋰電池隔膜測(cè)試方法評(píng)述[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2015,37(4):48-50.

Analysis and research of safety factors of lithium-ion batteries for mobile phone

PANG Yao,ZHANG Xiao-xiao,YANG Meng-wei
(Beijing Products Quality Supervision and Inspection Institute,Beijing 101300,China)

The structure and working principle of lithium-ion batteries for mobile phone were analyzed,the test was carried out according to the national standard,the security impact factors was obtained,and the key influence factors were researched.Some suggestions were given to cope with the situation,for controlling of lithium-ion battery quality risk points,improving the quality of security risk of system regulation,and further confirming the lithium-ion battery for mobile phone safety risk lay the foundation.

lithium-ion batteries;security;impact factor

TM 912.9

A

1002-087 X(2017)07-0984-03

2016-12-16

2014年國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014QK009)

龐瑤(1982—)，女，河北省人，工程師，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娮与姎狻?/p>