聚合物鋰離子電池安全性能分析

蔣繼富

（昆明五威科工貿(mào)有限公司，云南 昆明 650106）

0 引 言

隨著智能設(shè)備普及，鋰離子電池在人們的日常生活中被廣泛應(yīng)用。如何降低鋰離子電池成本，提高其安全性的研究一直是科技領(lǐng)域的熱點。由于鋰離子電池的自身能量密度較高，在使用過程中還存在一定缺陷，因此提高其使用安全性是生產(chǎn)企業(yè)的根本任務(wù)。

1 聚合物鋰離子電池的技術(shù)發(fā)展

21世紀(jì)是低碳經(jīng)濟的時代，新型能源替代傳統(tǒng)能源的趨勢已不可阻擋，新能源即將迎來發(fā)展的黃金期。鋰離子電池技術(shù)早在1912年就已經(jīng)被研究開發(fā)，直到1991年被索尼采用才得到普及。鋰離子電池的能量密度非常高，以前傳統(tǒng)的電池技術(shù)存在記憶效應(yīng)，而鋰離子電池完全解決了這一問題，且生產(chǎn)成本相對較低[1]。鋰離子電池是由兩個正負(fù)電極、隔膜以及有機電解質(zhì)等組成，具有較高的化學(xué)性質(zhì)，這種電池的化學(xué)成分限制了它的形狀多為矩形。但是鋰離子電池的容量會隨著充電周期減少，甚至在不使用時也會出現(xiàn)放電的情況，另外化學(xué)電解液在極端溫度下或不慎被刺破時會變得不穩(wěn)定，導(dǎo)致熱失控和起火。

隨著我國新能源研發(fā)技術(shù)手段不斷提高，聚合物鋰離子電池技術(shù)相對于普通鋰離子電池技術(shù)更加先進(jìn)。它在20世紀(jì)70年代被研發(fā)，在原材料、安全性能、電芯電壓、容量以及制造工藝上相比鋰離子電池來說均有不同。聚合物鋰離子電池的原材料為有機電解液和高分子電解質(zhì)，采用了鋁塑膜作為外殼，如果內(nèi)部采用有機電解質(zhì)時，即使液體很熱也不易發(fā)生爆炸。電解質(zhì)可作為固態(tài)或者膠態(tài)，而不是液體，所以聚合物鋰離子電池可以提供更低矮的外形、更靈活且堅固的設(shè)計，同時電解質(zhì)泄露導(dǎo)致熱失控的概率更低，簡而言之更加安全[2]。聚合物鋰離子電池相比普通的鋰離子電池來說重量輕一些，發(fā)生安全隱患時，由于聚合物鋰離子電池的結(jié)構(gòu)是鋁塑軟包裝故不會輕易發(fā)生爆炸，并且具有較穩(wěn)定的放電特征和良好的導(dǎo)電性，支持大放電電流，對目前快充電技術(shù)快速發(fā)展的時代尤為重要，能夠順應(yīng)現(xiàn)代人們生活中的電能使用需要。隨著科學(xué)的不斷研究發(fā)展，聚合物鋰離子電池以獨特安全性能的優(yōu)勢被人們所使用，逐步取代液體電解質(zhì)鋰離子電池，在電池的使用領(lǐng)域成為了主流，但是在制造成本上相對較高，生命周期也較短，電池的存儲容量也比同等大小的鋰離子電池少，仍然需要依靠保護電路使電壓運行在安全范圍內(nèi)。

2 聚合物鋰離子電池的燃燒意外試驗

聚合物鋰離子電池使用的范圍越來越廣泛，雖然其具有較高的安全性和導(dǎo)電性，但是如果使用不當(dāng)也會出現(xiàn)安全事故。聚合物鋰離子電池的容量密度較高，放電能力強，使用不當(dāng)則會出現(xiàn)燃燒、爆炸的現(xiàn)象，威脅著人們的人身安全。通過試驗分析聚合物鋰離子電池在什么情況下會產(chǎn)生燃燒或爆炸現(xiàn)象。試驗使用的設(shè)備均屬于安全范圍之內(nèi)，試驗還需準(zhǔn)備防火手套。鋰聚合物電池標(biāo)示電壓為3.6～3.7 V，安全工作電壓為3.3～4.2 V，極限工作電壓為2.75～4.25 V，一般情況下不建議使用此范圍。

2.1 聚合物鋰離子電池的穿刺試驗

聚合物鋰離子電池的內(nèi)部是一正一負(fù)互相交疊而成，因此無論是基礎(chǔ)穿刺還是其他硬物穿刺都會造成內(nèi)部短路，引起燃燒。試驗通過一把螺絲刀對電池進(jìn)行穿刺，電池會在瞬間內(nèi)部短路冒出白煙，由于配方不同，不是每個電池都有可能會燃燒，但是電池高溫膨脹時噴氣出的氣體是含有劇毒的，因此產(chǎn)生燃燒之后會對人體造成一定傷害。使用相關(guān)設(shè)備打開燃燒過的鋰聚合物電池可以看到，電池內(nèi)部呈現(xiàn)一片一片的極片堆疊。

2.2 聚合物鋰離子電池短路試驗

選擇一個極片較為平穩(wěn)的電池將其進(jìn)行短路，通常在線路不融化的情況下電池會發(fā)生膨脹，冒出白煙，如果放電能力很大由很多片電子聚在一起的話，溫度和電壓瞬間產(chǎn)生的電流會使電池燃燒，而進(jìn)行單片試驗則不太容易發(fā)生燃燒現(xiàn)象。

2.3 聚合物鋰離子電池彎折試驗

將電池進(jìn)行不斷彎折會出現(xiàn)電池冒白煙的現(xiàn)象，極片內(nèi)部出現(xiàn)短路，因此彎折是很有可能讓電池產(chǎn)生燃燒的。

2.4 聚合物鋰離子電池模擬過度充電試驗

在通常情況下，充電器設(shè)定的額定電壓是4.2 V，但是在手機的充電器上可以看到標(biāo)示的為5 V，因為是通用USB接口，所以USB接口無論是2.0還是3.0都是5 V的電壓。5 V的電壓進(jìn)入到手機內(nèi)部之后，手機內(nèi)部會有一個充電控制器，將電壓穩(wěn)定在4.2 V左右為電池充電，充滿之后就會自動斷開。假設(shè)4.2 V是鋰聚合物電池的極限，試驗手機內(nèi)部的充電控制器損壞導(dǎo)致5 V的電壓直接輸入到手機內(nèi)部會出現(xiàn)的情況。準(zhǔn)備一塊完全充滿電的聚合物鋰離子電池（4.2 V左右）來進(jìn)行模擬5 V直充電壓試驗，使用一臺電源供應(yīng)器直接供應(yīng)輸出到電池中，將其調(diào)到4.2 V，假設(shè)手機內(nèi)部的充電控制器出現(xiàn)故障，將電源供應(yīng)器的輸出電壓逐漸升高到5 V，在15 min左右電池會逐漸膨脹、電解液泄露，電池完全爆炸燃燒。

經(jīng)過了聚合物鋰離子電池的穿刺、折彎、短路以及過充試驗發(fā)現(xiàn)，過充試驗的燃燒最為嚴(yán)重，因此聚合物鋰離子電池在使用時具有一定的危險性。

3 聚合物鋰離子電池的安全性能分析

聚合物鋰離子電池雖然相比過去的鋰離子電池具有更高的優(yōu)勢，但是如果使用不當(dāng)，也會存在一定的安全隱患。在上述試驗中，很多情況都會造成電池燃燒爆炸，威脅著人身安全，因此還需要加強對電池在安全性能方面的重視。

聚合物鋰離子電池在安全性能方面的優(yōu)勢包括以下3點。一是聚合物鋰離子電池通過固態(tài)電解質(zhì)可做到形狀多樣化，而其中的聚合物大多數(shù)為軟包電池，極大程度上能夠避免發(fā)生爆炸現(xiàn)象，但是如果出現(xiàn)上述4種試驗情況，電池出現(xiàn)燃燒的可能性就會加大。二是聚合物鋰離子電池比能量較高，不僅適用于較大體積的設(shè)備，也適用于小型化的設(shè)備，能夠滿足眾多產(chǎn)品的使用需求，除極特殊情況外基本不會發(fā)生爆炸現(xiàn)象[3]。電池中的電解質(zhì)能夠避免在電池使用時發(fā)生短路及自放電的情況，具備良好的導(dǎo)電作用，順應(yīng)了現(xiàn)代化能源高效環(huán)保的發(fā)展態(tài)勢。三是聚合物鋰離子電池的容量相對普通鋰離子電池容量會高出很多，且能夠制成超薄型的電池為小型設(shè)備提供能源，一定程度上避免了電池漏液現(xiàn)象。

聚合物鋰離子電池在安全性能方面的劣勢包括以下3點。一是聚合物鋰離子電池需要保護控制線路。在上述試驗中可看出，如果發(fā)生過充的現(xiàn)象將造成電池?fù)p壞爆炸的概率增加，而此現(xiàn)象是目前電池發(fā)生損壞的主要原因之一。二是雖然聚合物鋰離子電池多數(shù)為軟包電池，但在本質(zhì)上并沒有改變電解液，一旦某種特殊情況導(dǎo)致其中的液體過熱時就會出現(xiàn)殼體破裂，電池可能會發(fā)生燃燒爆炸現(xiàn)象。三是當(dāng)聚合物鋰離子電池出現(xiàn)短路和彎折等不良現(xiàn)象時，電池會出現(xiàn)瞬間的大電流放電，導(dǎo)致燃燒，嚴(yán)重時可出現(xiàn)瞬間爆炸。聚合物鋰離子電池易燃燒的現(xiàn)象是目前最大的安全問題。

4 聚合物鋰離子電池使用注意事項

聚合物鋰離子電池使用中的注意事項如下。

首先，在使用聚合物鋰離子電池時避免電池受潮或者進(jìn)行隨意拆卸電芯，避免在高溫環(huán)境下放置或充電，嚴(yán)格按照電池的標(biāo)準(zhǔn)充電方式進(jìn)行充電[4]。此外避免在無安全保障的條件下進(jìn)行電池拆卸、隨意彎折或用金屬物質(zhì)連接電池的正負(fù)極，不要將電池進(jìn)行過充導(dǎo)致電池膨脹，造成燃燒。

其次，必須在電池標(biāo)示的標(biāo)準(zhǔn)電壓范圍內(nèi)進(jìn)行電池的充電或者放電，避免過充和過放。電池的標(biāo)準(zhǔn)電壓是4.2 V，如超過此范圍壽命就會逐漸縮短。對于聚合物鋰離子電池的測試要在完全放電過后進(jìn)行，如要更換電池，不得將丟棄的電池隨意踩踏敲擊，避免電池內(nèi)部出現(xiàn)故障冒出白煙或燃燒，釋放有害氣體，污染環(huán)境。

再次，相關(guān)生產(chǎn)人員要尋找可提升聚合物鋰離子電池性能的途徑，最大程度解決電池存在的漏洞，保障電池安全使用性能?？赏ㄟ^改善電池正負(fù)極材料的穩(wěn)定性，利用相對穩(wěn)定性最強的材料在根本上提升電池的性能。同時使用較為安全型的電解液提升導(dǎo)電性，解決電解質(zhì)界面不穩(wěn)定等問題，利用其他外部手段對電池進(jìn)行優(yōu)化管理設(shè)計，全面考慮電池的實用性及安全性。

最后，廠家要對電池質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)檢測，避免質(zhì)量過低的電池流入市場使用。在生產(chǎn)時，每塊電池的質(zhì)量會出現(xiàn)不可避免的波動，因此在出廠使用前要對每塊電池進(jìn)行電性能和安全性能的測試，保障生產(chǎn)的每塊電池質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié) 論

聚合物鋰離子電池電性能和安全性能的好壞對人們?nèi)粘Ｉ罹哂兄苯佑绊?，因此要加強重視，避免在使用過程中出現(xiàn)電池燃燒爆炸等不良現(xiàn)象。文章論述了聚合物鋰離子電池的技術(shù)發(fā)展，進(jìn)行了電池燃燒情況的試驗，分析了其電性能和安全性能，提出了使用時的注意事項，但是想要徹底解決電池存在的缺陷還需進(jìn)一步加強研究。