锂离子电池充电方法及工作原理有哪些？

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，会与氧气产生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 避免爆炸。锂离子电池的这种原理，使得人们在获得高容量密度的同时，也达到安全的目的。 

安电防爆测试          

 

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。

 

 

 

    锂电池芯过充到电压高于4.2V后，会开始产生副作用。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，让电池容量产生永久性的下降。如果继续充电，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 材料会裂解产生气体，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，会在材料表面产生锂原子结晶，这与过充一样，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，除了锂电池芯外，都会有一片保护板，这片保护板主 要就是提供这三项保护。但是，保护板的这三项保护显然是不够的，全球锂电池爆炸事件还是频传。要确保电池系统的安全性，必须对电池爆炸的原因，进行更仔细 的分析。

 

 

 

  爆炸类型分析  

 

 

 

    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。  

 

当电芯外部发生短路，电子组件又未能切断回路时，电芯内部会产生高热，造成部分电解液汽化，将电池外壳撑大。当电池内部温度高到135摄氏度时，质量好的 隔膜纸，会将细孔关闭，电化学反应终止或近乎终止，电流骤降，温度也慢慢下降，进而避免了爆炸发生。但是，细孔关闭率太差，或是细孔根本不会关闭的隔膜 纸，会让电池温度继续升高，更多的电解液汽化，最后将电池外壳撑破，甚至将电池温度提高到使材料燃烧并爆炸内部短路主要是因为铜箔与铝箔的毛刺穿破隔膜， 或是锂原子的树枝状结晶穿破膈膜所造成。这些细小的针状金属，会造成微短路。由于，针很细有一定的电阻值，因此，电流不见得会很大。

 

 

 

 铜铝箔毛刺系在生产过 程造成，可观察到的现象是电池漏电太快，多数可被电芯厂或是组装厂筛检出来。而且，由于毛刺细小，有时会被烧断，使得电池又恢复正常。因此，因毛刺微短路 引发爆炸的机率不高。      这样的说法，可以从各电芯厂内部都常有充电后不久，电压就偏低的不良电池，但是却鲜少发生爆炸事件，得到统计上的支持。因此，内部短路引发的爆炸，主要还 是因为过充造成的。因为，过充后极片上到处都是针状锂金属结晶，刺穿点到处都是，到处都在发生微短路。因此，电池温度会逐渐升高，最后高温将电解液气体。 这种情形，不论是温度过高使材料燃烧爆炸，还是外壳先被撑破，使空气进去与锂金属发生激烈氧化，都是爆炸收场。  

 

 

 

但是过充引发内部短路造成的这种爆炸，并不一定发生在充电的当时。有可能电池温度还未高到让材料燃烧、产生的气体也未足以撑破电池外壳时，消费者就终止充 电，带手机出门。这时众多的微短路所产生的热，慢慢的将电池温度提高，经过一段时间后，才发生爆炸。消费者共同的描述都是拿起手机时发现手机很烫，扔掉后 就爆炸。  

 

锂离子电池起火的原因分析

 

作为纯电动汽车的能量来源，锂离子电池起火的主要原因主要是电池过热而造成的热失控，这种过热在电池充放电过程中最容易发生。由于锂离子电池自身具有一定的内阻，在输出电能为纯电动提供动力的同时会产生一定的热量，使得自身温度变高，当自身温度超出其正常工作温度范围间时将会损害整个电池的寿命和安全。纯电动汽车中，动力电池系统是由多个动力电池单体电芯构成，在工作过程中产生大量的热聚集在狭小的电池箱体内，如果热量不能够及时地快速散出，高温会影响动力电池寿命甚至出现热失控，从而引发起火爆炸等事故。从原理上说热失控的原因主要有以下四个方面：

 

（1） 机械滥用

 

主要发生在汽车碰撞时，由于外力的作用，锂电池单体、电池组发生变形，自身不同部位发生相对位移，导致电池隔膜被撕裂并发生内部短路; 易燃电解质泄漏最终引发起火。在机械滥用中，穿刺伤害最为严重，它可能会导体插入电池本体，造成正负极直接短路。相比之下，碰撞、挤压等，只是概率性的发生内短路，穿刺过程热量的生成更加剧烈，引发热失控的概率更高。

 

 

 

（2）电滥用

 

电滥用主要是对电池的使用不当造成的，有外部短路、过度充电和过度放电几种类型。其中，过渡放电导致的危害最小，但是由于过放造成的铜枝晶的增长会降低电池的安全性从而增加热失控的几率。外部短路是在两个存在压差的导体在电芯外部接通导致的结果，当外部短路发生时，电池产生的热量无法很好的散去时，电池温度也会随之上升，高温触发热失控。

 

过度充电是电滥用中危害最高的一种。由于过量的锂嵌入，锂枝晶在阳极表面生长。其次，锂的过度脱嵌导致阴极结构因发热和氧释放而崩溃（NCA阴极的氧释放）。氧气的释放加速了电解质的分解，产生大量气体。由于内部压力的增加，排气阀打开，电池开始排气。电芯中的活性物质与空气接触以后，发生剧烈反应，放出大量的热，从而引发电池包的燃烧起火。

 

（3）热滥用

 

热滥用主要指在电池中的局部过热，很少独立存在，往往是通过机械滥用和电气滥用发展而来，并且是最终直接触发热失控等事故的一种情况。热滥用一般多为外部环境高或者在温度控制系统不起作用下导致的电池热量过高从而造成的短路，从而引发热失控。从原因上说，热滥用的原因是最为复杂的，电池包的碰撞、损坏，电池内部的结构、性能或是其他热管理系统、空调系统的失灵都可能导致热滥用的发生。

 

（4）内部短路

内部短路是由电池的正负极直接接触，当然接触的程度不同，引发的后续反应也差别很大，通常由机械和热量滥用引起的大规模内部短路将直接导致热滥用。引发内部短路原因同样复杂，比如锂离子电池过度充电，枝晶积累到一定程度导致刺穿电池隔膜，从而发生内部短路 或是碰撞、穿刺伤害之后直接导致正负极接触而导致热失控。与外部因素产生的内部短路相比，源于电池制造过程中自发的缺陷而引起的内部短路，程度比较轻微，先天内部短路产生的热量很少，并不会立即触发热失控。而且这种内在缺陷会经过一段时间才会演化为程度较轻的内短路。