歐方明

（海軍駐昆明地區(qū)特種代表室，昆明650000）

摘要：分析了鋰電池內(nèi)部微短路的危害及其成因，針對(duì)實(shí)際情況對(duì)鋰電池內(nèi)部微短路模擬試驗(yàn)的方法進(jìn)行了歸納比較。分析與比較國(guó)際國(guó)內(nèi)民用和特種電池安全標(biāo)準(zhǔn)，介紹了鋰電池內(nèi)部微短路的控制方法。

1鋰電池內(nèi)部微短路成因分析

2006年，鋰電池巨頭索尼公司的鋰電池造成數(shù)起戴爾牌筆記本電腦爆炸起火，引起美、日官方的重視。稍后，盡管采用了非常安全的A123磷酸鐵鋰電池，美國(guó)的豐田普銳斯混合動(dòng)力汽車經(jīng)第三方改裝后在行駛時(shí)燒毀。2011年，在杭州、上海及深圳都有新能源出租車及大巴燒毀事件。

顯然，即使采用鋰電池家族中最安全的磷酸鐵鋰體系，依然無(wú)法避免安全事故的發(fā)生。

從化學(xué)原理上進(jìn)行分析，鋰電池的安全性比汽油還差。汽油儲(chǔ)存在密閉的金屬容器內(nèi)，如果不同時(shí)發(fā)生泄漏（汽油和空氣接觸）和遇到明火（或者火星，引發(fā)作用）這兩個(gè)條件，是非常安全的；而鋰電池的能量則儲(chǔ)存于一層薄薄的隔膜兩側(cè)，氧化劑（正極活性物質(zhì)）、還原劑（負(fù)極活性物質(zhì)）在發(fā)生內(nèi)部短路（引發(fā)作用）的情況下，將同時(shí)發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)，急劇發(fā)熱，并可能起火、燃燒、爆炸，對(duì)于有機(jī)溶劑體系的鋰電池來(lái)說(shuō)就更容易燃燒一些。

在鋰電池的眾多失效模式中，單體電池內(nèi)部短路無(wú)疑危害最大，最難以預(yù)測(cè)和分析，沒(méi)有辦法通過(guò)外部控制電路來(lái)進(jìn)行保護(hù)。內(nèi)部短路造成的高溫、高阻、還很容易造成電池組的連鎖反應(yīng)。

目前廣泛認(rèn)為單體電池內(nèi)部短路的原因可能有：

1）吸附在隔膜表面或者單體電池殼體頂部、底部的粉塵。制造環(huán)境、工藝控制不良的情況下，會(huì)形成大量的正/負(fù)極片粉塵和焊接引起的金屬粉塵，并通過(guò)靜電作用吸附在隔膜表面。極片本身不夠光滑，粉體粘結(jié)強(qiáng)度不夠，本身也會(huì)造成這種問(wèn)題。

2）卷繞/疊片時(shí)形成的正/負(fù)極片錯(cuò)位。

3）金屬焊點(diǎn)、極片邊緣有毛刺。

4）隔膜兩側(cè)形成鋰枝晶，由于不均勻反應(yīng)造成的局部電化學(xué)反應(yīng)或過(guò)充電而形成鋰枝晶。

5）電解液分布不均勻造成正/負(fù)極片利用率不一致。

6）材料本身的問(wèn)題。材料純度不高、與電解液相容性不好、正極金屬材料不耐高電壓、負(fù)極金屬材料與鋰形成合金，都可能形成雜質(zhì)沉積或鋰枝晶。

7）外部因素。外部機(jī)械力的作用導(dǎo)致單體電池殼體變形并進(jìn)而導(dǎo)致隔膜移位、破損，外界溫度過(guò)高導(dǎo)致隔膜過(guò)度收縮、破損，過(guò)充電、強(qiáng)制放電造成單體電池內(nèi)部形成鋰枝晶，都可能造成內(nèi)部短路。

2鋰電池內(nèi)部微短路的模擬試驗(yàn)方法

鑒于內(nèi)部微短路對(duì)鋰電池安全的嚴(yán)重威脅，國(guó)際和國(guó)內(nèi)各種鋰電池安全標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了很多相應(yīng)的內(nèi)短路模擬測(cè)試項(xiàng)目。這些模擬的測(cè)試方法主要有平板擠壓法、圓柱擠壓法、針刺、重物撞擊、金屬填埋法等等，其中金屬填埋法是在日本鋰離子電池在筆記本電腦中出現(xiàn)自燃后所誕生的新方法，目前主要用于二次電池。

日本的JIS標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó)的NASA標(biāo)準(zhǔn)采用了金屬填埋法，將微小的金屬片預(yù)先放置于單體電池內(nèi)部扎穿隔膜，考察鋰電池在發(fā)生內(nèi)部短路的情況下的安全性，非常直接。但是此法本身具備很大的危險(xiǎn)性，最好采用機(jī)器人操作的方式。

重物撞擊是一種模擬內(nèi)部短路的測(cè)試方法，一般是在電池上方放置一根金屬圓棒，然后利用重物撞擊此金屬圓棒，造成電池殼體變形產(chǎn)生內(nèi)部短路。與擠壓法一樣，該法也存在一個(gè)不均衡的問(wèn)題，即對(duì)殼體薄的電池不利，但事實(shí)上殼體薄的電池在發(fā)生內(nèi)部短路時(shí)反而會(huì)安全一些。

槍擊試驗(yàn)是將電池放置在大于25m距離的位置上，然后用槍射擊造成電池內(nèi)部短路。此法為GJB 2374所創(chuàng)，除了我國(guó)的特種標(biāo)準(zhǔn)，其他的一般標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有此項(xiàng)目。

針刺試驗(yàn)是在電池中插入一金屬針，直接造成電池內(nèi)部的正負(fù)極接觸短路，過(guò)于激烈，不能很好地模擬內(nèi)部微小的短路情況，因?yàn)槌善冯姵刂型粫?huì)出現(xiàn)這種激烈的內(nèi)部短路，如果存在的話早已在制造過(guò)程中就被發(fā)現(xiàn)了。針刺試驗(yàn)方法被1995版本的美國(guó)UL1642標(biāo)準(zhǔn)所采用，但在后續(xù)UL 1642版本中都刪除了這一試驗(yàn)方法。而正在研制中的UL 2580，可能采用較為溫和的鈍針刺來(lái)模擬內(nèi)部微短路，這種試驗(yàn)更接近微短路的真實(shí)情況。

擠壓試驗(yàn)是常用的模擬內(nèi)部微短路的方法，絕大部分電池安全標(biāo)準(zhǔn)中都有這種方法，但是擠壓的方法差別非常大，主要有平板擠壓法和圓柱擠壓法等等，最新的IEC 62660-2:2010中關(guān)于擠壓試驗(yàn)的方法，則可以看成是綜合吸收了平板擠壓法、圓柱擠壓法、針刺、重物撞擊、金屬填埋法的優(yōu)點(diǎn)而設(shè)計(jì)的一種方法。我國(guó)在修訂GJB 2374A的研討過(guò)程中，考慮到現(xiàn)有技術(shù)中有些電池使用平板擠壓法無(wú)法實(shí)施擠壓、用圓柱擠壓法又對(duì)微短路出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)不清的情況，采用了平板擠壓法和圓柱擠壓法多種選項(xiàng)，根據(jù)實(shí)際電池情況選擇確定，其中把電池電壓的突變作為發(fā)生微短路現(xiàn)象的標(biāo)志，這基本上是合理的。

3鋰電池內(nèi)部微短路危害控制方法

鋰電池內(nèi)部微短路危害控制必須從單體電池設(shè)計(jì)、材料選擇、環(huán)境工藝控制等諸多方面來(lái)防止內(nèi)部微短路。此外，為了將單體電池的內(nèi)部短路造成的影響控制在最小范圍，不至于造成連鎖反應(yīng)，還必須在電池組的設(shè)計(jì)中注意以下問(wèn)題。

1）單體電池過(guò)熱隔離裝置

單體電池過(guò)熱隔離裝置可以在單體電池發(fā)生內(nèi)部短路或外力撞擊時(shí)起到隔離作用，停止電池組對(duì)失效單體電池的充電/強(qiáng)制過(guò)放電作用，并防止失效單體電池的高溫、火焰、爆炸物引起相鄰單體電池的連鎖放應(yīng)，從而起到阻斷作用。

2）單體電池連接措施

電池組中單體電池的電學(xué)連接措施（例如電線、鎳帶、固定螺絲）的脫落或虛焊會(huì)使局部電阻過(guò)高，造成脫落點(diǎn)區(qū)域的高溫，并引起臨近單體電池的內(nèi)部短路。

3）盡量減小單體電池的能量

一般認(rèn)為單體電池的能量越大，成組電池串并聯(lián)的數(shù)量就越少，可靠性越高，這從串并聯(lián)成組的可靠性分析來(lái)說(shuō)是正確的。但是如果單體電池的能量過(guò)大，一旦出現(xiàn)失控反應(yīng)后對(duì)電池組的破壞力就越大，從原理上來(lái)說(shuō)就越容易產(chǎn)生整個(gè)電池組的連鎖反應(yīng)，造成不可控的局面。因此選擇合適的單體電池能量設(shè)計(jì)是很重要的。

4）單體電池的串并聯(lián)方式

單體電池的串并聯(lián)方式、數(shù)目也對(duì)單體電池的內(nèi)部短路、連鎖反應(yīng)有著很大的影響。例如，串聯(lián)容易造成某個(gè)單體電池強(qiáng)制放電，并聯(lián)容易造成某個(gè)單體電池強(qiáng)制充電，都可能造成單體電池的內(nèi)部壓力、電流過(guò)大，從而形成內(nèi)部短路。

這需要在單體電池的一致性方面和電池組的對(duì)稱性設(shè)計(jì)方面多做研究和改進(jìn)。

5）溫度控制系統(tǒng)

需要利用溫度控制系統(tǒng)將單體電池、電池組的溫度控制在安全的范圍內(nèi)以保障安全性。溫度監(jiān)控系統(tǒng)、強(qiáng)制風(fēng)冷、水冷、油冷都已經(jīng)有應(yīng)用的實(shí)例，并以逐步出現(xiàn)在相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)中。