锂离子电池过充电保护实验中着火_爆炸原因分析

２ ． ２ ． ２ 电池芯结构不合理 电池芯主要有正极、负极、隔膜和电 解液组成， 其材质选择、工艺控制和结构 设计， 不仅影响电池的充放电特性， 更重要 的是选择不当、工艺控制不好或结构设计 不合理， 在过充电过程中， 容易出现电解液 气化、电极短路和电池过热而发生爆炸和 起火。 ２ ． ２ ． ３ 泄压装置失效或工作不可靠 泄压装置是电池外壳上有效调节电池 内部压力安全装置。在过充电条件下， 产 生大量的气体使电池内压增加， 内压到达 一定程度泄压装置启动， 释放内压从而防 止危险发生。泄压装置失效或工作不可靠 时， 内压不断增加， 导致出现鼓胀现象， 当 鼓胀现象比较严重时会导致电池芯结构损 坏， 严重的会发生起火、爆炸。 ２ ． ２ ． ４ 电池散热性能不好［７］ 过充时如果电池散热较好， 或者过充 电流较小， 电池温度较低， 过充只发生电解 液的分解， 此时电池仍然安全。如果电池 散热较差或者高倍率充电导致电池温度进 一步升高， 隔膜融化， 电池内部发生短路， 温度急剧升高， 引发正极材料参与反应， 最 后发生爆炸、起火。 ２ ． ２ ． ５ 以上多种因素同时存在 ２ ． ２ ． ６ 实验电池 Ａ 起火、爆炸原因分析 图 ３ 为实验电池 Ａ （ 标称容量： ３ ． ７ Ｖ ， ５ ０ ０ ｍ Ａ ｈ ） 过充电状态下电压、电流与时间 关系图， 恒流恒压源给实验电池 Ａ ２ 倍标称 电压（７．４ Ｖ），２Ｃ５Ａ（１．０Ａ）的电流过充电，从 图中看出在过充电压、电流稳定在（ ７ ． ４ Ｖ ，
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锂离子电池过充电保护实验中着火、爆炸原因分析
刘丽华 莫梁君 （广东省检验检疫局 广州 ５ １ ０ ６ ２ ３ ）
摘 要： 对四种手机锂离子电池进行安全保护性能检测， 其中一种电池在过充电保护实验中发生起火和爆炸。通过对实验电池发生起火 和爆炸各种因素以及过充电状态下电压、电流与时间关系图综合分析与研究， 认为起火和爆炸的主要原因是过充电保护电路无效。实 验结果表明， 部分锂离子电池在安全性能方面存在问题。 关键词： 锂离子电池 过充电保护 起火 爆炸 中图分类号：ＴＭ２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２－３７９１（２００９）０６（ｂ）－０００９－０２
参考文献
［ １ ］ 张延松． 汽车制造中焊接新技术的应用 与总体发展趋势．
［ ２ ］ 马晓春． 我国现代机械制造技术的发展趋 势［ Ｊ ］ ． 森林工程， ２ ０ ０ ２ （ ３ ） ．
［ ３ ］ 武永利． 机械制造技术新发展及其在我国 的研究和应用［ Ｊ ］ ． 机械制造与自动化， ２００３（１）．
２ 结果与讨论
２ ． １ 实验结果 ４ 种手机锂离子电池在过充电保护实
验中 Ａ 发生爆炸、起火（ 见图 １） 。Ｃ 有不同 程度的鼓胀， Ｄ 外型没有变化； ４ 种手机锂离 子电池在过放电保护实验、短路保护实验 过程中其外型没有变化， 没有发生爆炸、 起火、冒烟和漏夜。 ２ ． ２ 原因分析
锂离子电池充 ＼ 放电的过程其实就是 锂离子不同的迁移方向， 即从正到负， 从负 到正（ 图 ２ ） 。由于锂元素是比较活跃的化学 元素， 导致在充 ＼ 放电过程中很有可能出 现起火、爆炸等危险事故。
３ 结语
依据 ＧＢ／Ｔ １８２８７－２０００ 要求，对锂离 子电池安全保护性能进行检测， 实验结果 表明： 锂离子电池设计和生产者必须重视 保护电路的安全有效， 才能保证锂离子电 池安全性能。
参考文献
［１］ 金里． 锂离子电池及其保护电路［ Ｊ ］ ． 电子 产品世界，２０００（９）：１４～１ ７ ．
［ ２ ］ 王彩娟， 宋杨， 金军． 部分锂离子电池的 安全问题［ Ｊ ］ ． 电池， ２ ０ ０ ８ （ １ ） ： ２ ５ ～２ ６ ．
［ ３ ］ 王静， 余仲宝， 储绪光， 等． 锂离子电池热 的安全性研究进展［ Ｊ ］ ． 电池， ２ ０ ０ ３ ， ３ ３ （ ６ ） ： ３ ８ ８ ～３ ９ １ ．
按照 ＧＢ／Ｔ １８２８７－２０００ 标准进行安全 保护性能实验。
检测的项目包括： 过充电保护、过放 电保护、短路保护。
图１
过充电保护实验： 在环境温度 ２ ０ ℃± ５ ℃ 的条件下， 以 ０ ． ２ Ｃ ５Ａ 电流给电池充电， 当电 池电压达到充电限制电压时， 改为恒压充 电， 直到充电电流小于或等于 ０ ． ０ １ Ｃ ５Ａ ， 最 长充电时间不大于 ８ ｈ ， 停止充电。将充满 电的 Ａ 、Ｂ 、Ｃ 、Ｄ 实验手机锂离子电池分 别接到 ＢＴ２０００ 电池测试仪 Ｓ／Ｎ：１６３９０１－Ｔ 的接口上， 用恒流恒压源持续给实验锂离 子电池加栽 ８ ｈ ， 恒流恒压源电压设定为 ２ 倍标称电压， 电流设定为 ２ Ｃ ５ Ａ 的外接电 流。
［ ６ ］ 田中俊． 锂电池的保护芯片的使用［ Ｊ ］ ． 中 国集成电路， ２ ０ ０ ８ ， １ １ ５ （ １ ２ ） ： ７ ９ ～８ １ ．
图 ４
［ ７ ］ 冯祥明， 郑金云， 李荣富等． 锂电池安全， 电源技术， ２ ０ ０ ９ （ １ ） ： ７ ～９ ．
（ 上接 ８ 页）
的高效率要求， 以及需求的个性化要求引 导的结果， 汽车制造技术必将向着生产柔 性化的方向迅速发展， 以适应快速变化的 市场需求， 过去一个新车型开发周期要几 年时间， 现在缩短到几个月的时间， 甚至时 间更短， 所以其生产的高效率和高度柔性 化在汽车制造技术发展的过程中得到充分 的表现。高效、精密、柔性化、自动化是 汽车制造技术进步的发展趋势， 具体表现 在以下几个方面。
［ ４ ］ 王健． 正确认识汽车燃油经济性．
源自文库
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图 ３
１ ． ０ Ａ ） 后， 不随时间变化， 过充电 ３ ０ 分钟结 束， 电池 Ａ 发生起火和爆炸。
图 ４ 为实验电池 Ｄ （ 标称容量： ３ ． ７ Ｖ ， ８ ６ ０ ｍ Ａ ｈ ）过充电状态下电压、电流与时间 关系图， 恒流恒压源给实验电池 Ｄ ２ 倍标称 电压（ ７ ． ４ Ｖ ） ， ２ Ｃ ５ Ａ （ １ ． ７ ２ Ａ ） 的电流过充电， 从图中看出过充电压（ ７ ． ４ Ｖ ） 一直不变、电 流最大（ ０ ． ３ １ Ａ ） 并随着时间增加而减小， ８ 小时后过充电结束， 电池 Ｄ 没有发生变化。
锂离子电池具有体积小、容量大、重 量轻、无污染、单节电压高、自放电率低、 循环次数多等优点［ １ ］ ， 已经成为现代能源的 重要组成部分。但是锂离子电池由于能量 密度高， 因此难以确保电池充放电的安全 性［ ２ － ５ ］ ， 在使用的过程中就很可能出现起火 和爆炸， 危害生命和财产安全。本文作者 根据 ＧＢ／Ｔ １８２８７－２０００ 要求，对四种不同 厂家生产的手机锂离子电池进行安全保护 性能测试， 并对实验中锂电池出现的起火、 爆炸原因进行了详细分析。
角的凸轮轴， 提高生产线的柔性程度。凸 轮轴廓形高速磨削已普遍使用， 其高速点 磨工艺具有高效、高精度的优点。
（ ４ ） 连杆加工采用成形拉削工艺， 中分 面采用“涨断”工艺， 还有采用“激光”切 断工艺。
（ ５ ） 多气门复杂缸盖的柔性加工工艺。 （ ６ ） 先进的检测技术在制造过程中将更 加重视在线测量和防错装置的使用， 加强 对制造过程的控制及质量保证。计算机控 制的检测仪器、装置已普遍使用。 （ ７ ） 零件孔的加工， 钻削加工占 ６ ０ ％ ， 大 多采用了高速切削和铣削螺纹孔工艺。 如此等等， 这些新的工艺技术反映了 先进汽车制造技术正在向高效、精密、柔 性化、自动化的方向发展的特点， 因此将 推动汽车制造中高速加工技术、成形加工 技术、敏捷制造技术、智能化加工技术、绿 色加工技术等等， 都将继续得到快速发展， 以此提高我国汽车工业的制造工艺技术水 平和技术创新能力。
（ １ ） 大平面加工采用密齿铣刀进行高速 切削。
（ ２ ） 曲轴加工方法采用内铣、车拉、外 铣的先进工艺及设备， 车拉工艺具有更好 的加工柔性， 可加工曲轴的主轴颈， 连杆轴 颈， 法兰和皮带轮轴颈， 而且还可同时加工 轴颈的外圆、轴肩、圆角或沉割槽， 结合曲 轴的高速外铣可大大节省加工时间。
（ ３ ） 已有厂家生产凸轮轴采用装配式凸 轮轴， 可以很方便地生产不同行程及相位
过充电保护、过放电保护、短路保护 实验的目的是考察锂离子电池用户在使用 过程中发生危险的机率。锂离子电池在过 充电保护实验中发生起火和爆炸的因素主
图２
要有以下几点。 ２ ． ２ ． １ 保护电路无效 锂离子电池因考虑充放电的安全， 都
配有保护电路， 其主要由保护 Ｉ Ｃ 及 ２ 颗 Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ － Ｍ Ｏ Ｓ Ｆ Ｅ Ｔ 构成。当电池过度充电 时， 电池会因温度上升而导致内压上升， 需 终止当前充电的状态。此时， 集成保护电 路 Ｉ Ｃ 需检测电池电压， 当到达 ４ ． ２ ５ Ｖ 时（ 假 设电池过充电压临界点为 ４ ． ２ ５ Ｖ ） 即激活过 度充电保护， 将功率 Ｍ Ｏ Ｓ 由开转为切断， 进而截止充电［６］。当保护 Ｉ Ｃ 失效， 不能有效 激活过度充电保护。恒流恒压源始终给电 池 ２ 倍标称电压， ２ Ｃ ５ Ａ 的电流充电， 在高 倍率充电初期， 大部分电能通过可逆的化 学反应而被储存， 电池发热功率小， 但是在 充电后期由于发生了不可逆的化学反应， 电能变成了热能， 导致电池温度升高发生 了一系列的化学反应。锂离子电池因温度 上升而导致内压上升， 发生起火和爆炸。
１ 实验
１ ． １ 仪器与材料 ＢＳ－９３００ 二次电池性能检测装置（广州
擎天）、ＢＴ２０００ 电池测试仪 Ｓ／Ｎ：１６３９０１－Ｔ （美国 ＡＲＢＩＮ）、８７８５ 电子负载（１００Ｗ）、短 路夹具、万能充电器夹具、数字多用表（ 日 本产） 。
实验电池为 ４ 种不同厂家生产的手机 用锂离子电池， 编号：Ａ 、Ｂ 、Ｃ、Ｄ ， Ａ 标称容 量为（３．７Ｖ，５００ｍＡｈ）、Ｂ 标称容量为（３．７Ｖ， ６５０ｍＡｈ）、Ｃ 标称容量为（３．７Ｖ，８６０ｍＡｈ）、 Ｄ 标称容量为（３．７Ｖ，８６０ｍＡｈ）。 １ ． ２ 实验方法
［ ４ ］ 唐致远， 陈玉红， 卢星河， 等． 锂离子电池 安全性的研究进展［ Ｊ ］ ． 电池， ２ ０ ０ ６ ， ３ ６ （ １ ） ： ７ ４ ～７ ６ ．
［ ５ ］ 唐致远， 陈玉红， 卢星河， 等． 锂离子电池 爆炸机理研究［ Ｊ ］ ． 化学进展， ２ ０ ０ ６ ， １ ８ （ ６ ） ： ８ ２ ３ ～８ ３ １ ．
通过对图 ３ 、图 ４ 图像分析比较得出： 实验电池 Ａ 起火和爆炸的原因主要是过充 电保护电路无效。
过充电保护电路无效时恒流恒压源 持续以 ０ ． ２ Ｃ ５ Ａ 电流对电池 Ａ 进行过充 电， 正极释放出大量锂离子， 经过电解液 迁移至负极， 沉积在负极表面， 导致电池 芯发生膨胀， 挤压甚至刺透隔膜引发短 路。短路产生大量的热， 在小的空间无 法散发， 导致高温， 高温又会导致电解液 蒸发、分解和电极反应生成氧气、氢气。 电池内压升高， 外壳中间部位强度低受 压膨胀隆起， 氧气、氢气聚集在此混合， 发生起火和爆炸。
过放电保护实验： 锂离子电池在环境 温度 ２ ０ ℃± ５ ℃的条件下， 以 ０ ． ２ Ｃ ５Ａ 放电 至终止电压， 外接 ８７８５ 电子负载（１００Ｗ），并 将电阻调到 ３ ０ Ω负载放电 ２ ４ ｈ 。
短路保护实验： 锂离子电池按规定充 电结束后， 将正负极用 ０ ． １ Ω短路夹具短路 １ｈ。将正负极断开， 电池以 １ Ｃ ５ Ａ 电流充电 ５ ｓ 后用万用表测量电池电压， 电压应符合 规定的要求。