电池芯爆炸的类形可归纳为外部短路、内部短路及过充三种。此处的外部系指电芯的外部,包含了电池
组内部绝缘设计不良等所引起的短路。
锂是化学周期表上直径最小也最活泼的金属。体积小所以容量密度高,广受消费者与工程师欢迎。但是
,化学特性太活泼,则带来了极高的危险性。锂金属暴露在空气中时,会与氧气出现激烈的氧化反应而
爆炸。为了提升安全性及电压,科学家们发明了用石墨及钴酸锂等材料来储存锂原子。这些材料的分子
结构,形成了奈米等级的细小储存格子,可用来储存锂原子。这样一来,即使是电池外壳破裂,氧气进
入,也会因氧分子太大,进不了这些细小的储存格,使得锂原子不会与氧气接触而防止爆炸。锂离子电
池的这种原理,使得人们在获得它高容量密度的同时,也达到安全的目的。
锂离子电池充电时,正极的锂原子会丧失电子,氧化为锂离子。锂离子经由电解液游到负极去,进入负
极的储存格,并获得一个电子,还原为锂原子。放电时,整个程序倒过来。为了防止电池的正负极直接
碰触而短路,电池内会再加上一种拥有众多细孔的隔膜纸,来防止短路。好的隔膜纸还可以在电池温度
过高时,自动关闭细孔,让锂离子无法穿越,以自废武功,防止危险发生。
保护措施
锂离子电池芯过充到电压高于4.2V后,会开始出现副用途。过充电压愈高,危险性也跟着愈高。锂电芯电压
高于4.2V后,正极材料内剩下的锂原子数量不到一半,此时储存格常会垮掉,让电池容量出现永久性的
下降。假如继续充电,由于负极的储存格已经装满了锂原子,后续的锂金属会堆积于负极材料表面。这
些锂原子会由负极表面往锂离子来的方向长出树枝状结晶。这些锂金属结晶会穿过隔膜纸,使正负极短
路。有时在短路发生前电池就先爆炸,这是因为在过充过程,电解液等材料会裂解出现气体,使得电池
外壳或压力阀鼓涨破裂,让氧气进去与堆积在负极表面的锂原子反应,进而爆炸。因此,锂离子电池充电时
,一定要设定电压上限,才可以同时兼顾到电池的寿命、容量、和安全性。最理想的充电电压上限为
4.2V。
锂电芯放电时也要有电压下限。当电芯电压低于2.4V时,部分材料会开始被破坏。又由于电池会自放电
,放愈久电压会愈低,因此,放电时最好不要放到2.4V才停止。锂离子电池从3.0V放电到2.4V这段期间,所
释放的能量只占电池容量的3%左右。因此,3.0V是一个理想的放电截止电压。
充放电时,除了电压的限制,电流的限制也有其必要。电流过大时,锂离子来不及进入储存格,会聚集
于材料表面。这些锂离子获得电子后,会在材料表面出现锂原子结晶,这与过充相同,会造成危险性。
万一电池外壳破裂,就会爆炸。
因此,对锂离子电池的保护,至少要包含:充电电压上限、放电电压下限、及电流上限三项。一般锂电
池组内,除了锂离子电池芯外,都会有一片保护板,这片保护板重要就是供应这三项保护。