锂电池爆炸原理

一、锂电池为什么有安全性问题

1、内部短路是如何形成的：锂

离子电池的最大的隐患是应用钴酸锂

的锂离子电池在过充的情况下（甚至正

常充放电时），锂离子在负极堆积形成

枝晶，刺穿隔膜，形成内部短路。

2、产生大电流：外部短路，内

部短路将产生几百安培的过大电流

i. 外部短路时，由于外

部负载过低，电池瞬间大电流放电。在

内阻上消耗大量能量，产生巨大热量。

ii. 内部短路，主要原因

是隔膜被穿透，内部形成大电流，温度

上升导致隔膜熔化，短路面积扩大，进

而形成恶性循环

3、气体是哪里来的：锂离子电池为达到单只电芯 3 － 4.2V 的高工作电压（镍氢和镍硌电池工作电压为 1.2V ，铅酸电池工作电压为 2V ），必须采取分解电压大于 2V 的有机电解液，而采用有机电解液在大电流，高温的条件下会被电解，电解产生气体，导致内部压力升高，严重会冲破壳体

4、燃烧是如何发生的：热量来源于大电流，同时在高电压（超过 5V ）情况下，正极锂的氧化物也会发生氧化反应，析出金属锂，在气体导致壳体破裂的情况下，与空气直接接触，导致燃烧，同时引燃电解液，发生强烈火焰，气体急速膨胀，发生爆炸。

5、聚合物电池是否会有安全性问题：聚合物电池与锂离子电池的区别在于电解液为胶状、半固态，锂离子电池电解液为液态。所以，聚合物电池可以使用软包装，在内部产生气体时，可以更早的突破壳体，避免气体聚集过多，产生激烈涨裂。但聚合物电池并没有从根本上解决安全性问题，同样使用钴酸锂和有机电解液，而且电解液为胶状，不易泄漏，将会发生更猛烈的燃烧，燃烧是聚合物电池安全性最大的问题。

二、如何解决大容量锂电池的安全性问题

锂离子电池的安全性问题，并不是外围问题，而是一个基于材料技术的本质问题。

在材料技术上取得突破：

1、选择安全的正极材料，目前的正极有钴酸锂和锰酸锂两种量产的材料产品。钴酸锂在小电芯方面是很成熟的体系，由于钴酸锂在分子结构方面（ LiCo ）的特点：充满电后，仍旧有大量的锂离子留在正极，当过充时，残留在正极的锂离子将会涌向负极，在负极上形成枝晶是采用钴酸锂材料的电池过充时必然的结果，甚至在正常充放电过程中，也有可能会有多余的锂离子游离到负极形成枝晶。所以手机电池频频发生爆炸事件，一方面是由于保护电路失效，但更重要的是在材料方面并没有根本的解决问题。同时钴酸锂的氧化性强，在 175 度时就会分解，壳体泄漏，与空气接触，发生燃烧、爆炸。

2、选择锰酸锂材料，在分子结构方面保证了在满电状态，正极的锂离子已经完全嵌入到负极炭孔中，从根本上避免了枝晶的产生。同时锰酸锂稳固的结构，使其氧化性能远远低于钴酸锂，分解温度超过钴酸锂 100 度，即使由于外力发生内部短路（针刺），外部短路，过充电时，也完全能够避免了由于析出金属锂引发燃烧、爆炸的危险。

3、选择热关闭性能好的隔膜，隔膜的作用是在隔离电池正负极的同时，允许锂离子的通过。当温度升高时，在隔膜熔化前进行关闭，从而使内阻上升至 2000 欧姆，让内部反应停止下来。

4、防爆阀：当内部压力或温度达到预置的标准时，防爆阀将打开，开始进行卸压，以防止内部气体积累过多，发生形变，最终导致壳体爆裂。

5、保护电路：通常保护电路需起到防止过充电，过放电，超大电流的作用。主要原理是通过测量每一只电芯的电压和总电流，控制开关电路进行整个回路的关断，在电路的设计上并没有过高的难度。但保护电路的设计是否合理，可靠性是否足够高，是考验生产厂商的能力。保护电路是基于大约数十个个电阻、电容，开关 MOS 管等电子元器件组成的 PCB 电路，各个元器件都存在失效的可能性。失效的保护电路会出现开路或导通两种状态，当开路时会导致用户不能使用电池组，而导通的状态将会考验电芯抗过充的能力。

三、用什么样的标准考察大容量锂电池的安全性

1、过充试验

利用恒定电流持续给电芯充电，设定固定电压上限。电芯内部在负极上产生锂离子枝晶，刺穿隔膜是通过该试验最大的威胁。

电动车蓄电池 充满电，

放 1 小时后

5.0V 90min 不燃烧

国家标准

GB/T 18287-2000

按标准

充满电

后 20℃ ± 5℃ 3C 5 A 上限电压 10V ，

温度下降峰

值 10 ℃ 后结束实验 不爆炸、

不燃烧 UL 标准

按标准充满电后

20℃ ± 5℃

以

对应电

流和时间进行。 注： C 为标称容量， I C 为测试电流

测试时间不

得少于 48h 不爆炸、

不燃烧

注：UL(Underwriters Laboratories)是一家产品安全测试和认证机构，对消费者来说UL 就是安全标志的象征。全球，UL 是制造厂商最值得信赖的合格评估提供者之一。（摘自UL 实验室中文网站）

2、 短路试验

用小电阻的导线直接连接正负极，使电池形成超大电流回路，电池内部快速升温

前提 环境温度 短路方法 外部电阻 时间 结果要求 军标

按标准充满电后的电池组

20 ℃ ± 5 ℃

用导线连接正负极

≤ 50m Ω 直至保护

电路起作用

不爆炸、不燃烧、可正常充放电

轻工标准 QB/T2502-2000 按标准充满电

后

20℃ ± 5℃ 用导线连

接正负极

≤ 50m Ω 6h 以上 不爆炸、

不燃烧

2004 科技部

863 电动车蓄电按标准

充满电

20℃ ± 5℃ 用导线连

接正负极

≤ 10m Ω 10min 不漏液、不爆炸或