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锂电池安全吗?锂电池是否容易爆炸?

来源:宝鄂实业    2019-04-17 10:04    点击量:
相较于其它种类的充电电池,锂离子电池有许多优点,这其中最重要的一个,就是它的能量密度。锂离子电池的电极一般是用锂化合物和石墨(纯碳)所构成,两者都是非常轻的材料,同时锂也是一个反应性非常强的元素,因此原子的键结中可以存放更多的能量。这两者相加,就意味着在现有的充电电池中,想拥有同样的蓄电量的话,锂离子电池是最轻的,适合手机、笔电、数字相机等随身物品使用。此外,锂离子没有记忆效应,也就是说锂离子电池不必先把电力放光才能再充电,而且蓄电量也不会太快减少,大约每个月减少 0.1% 的电力(算上保护回路的需求也才 5%,镍氢电池大约每个月减少 20%)。最后,它还可以历经数百次的充放电,依然生龙活虎。
但锂离子电池也有缺点。其中最主要的一个,就是它的总蓄电力(最大电量)会随着出厂时间增加而减少 -- 无论你用不用锂离子电池,出厂 2~3 年后电池的最大蓄电力都会大幅降低,甚至无法使用,因此「买了放着」是完全错误的做法。其次,锂离子电池很怕热,在高温的环境上最大蓄电量降低的效应会被加速,这部份后面会再补充。再者,锂离子电池也怕过放电,一但放电超过某个程度,电力可能会再也充不进去。当然,锂离子电池还有会爆炸的危险,这是大家都知道的。
为什么锂离子电池会爆炸?这要从它的化学性质谈起...锂离子电池的化学小姜这里尽量不讲的太深入(其实是自已也不是完全懂 orz),但简单来说,锂离子电池和所有充电电池一样,都有一个正极材料和一个负极材料,在这里正极材料是通常是锂钴氧(LiCoO2),而负极材料则有很多种,最常见的石墨(碳)。充电时锂钴氧中的锂离子会游过中间的电解质,附着在负极上,而放电(上图)时则是相反,从负极的碳游回锂钴氧这一侧。
在一颗以石墨为负极的锂离子电池里,是用一层锂钴氧,一层装有电解质的分隔物、一层石墨为一组,一组一组的迭起来。在手机电池那种薄型电池中,里面就是这样一层一层迭起来的,而在笔电里则通常是把这一片片的材料卷成圆柱状,变成像 3 号电池那样的东西。在锂离子电池中,带有最大的危险的不是两个电极,而是中间的有机电解质溶剂,以易燃的醚类最多。当电池因为任何原因短路时,电池内能量会在短时间以热的形式释放出来,点燃这些做为溶剂的醚类,引发爆炸。
过放电时锂离子会和锂钴氧直接发生反应,产生氧化锂和氧化钴。这个反应是不可逆,所以过放电的锂离子电池就等于报销了。
锂离子电池很容易爆炸吗?在工研院得到的经验是:「怎么这么难爆啊!」在工研院,他们装了一台机器,用钻头刺穿平板状况的薄型电池,基本上必需要是新的、充饱电的电池才有最大的爆炸危险,只要是用过一段时间的电池,不仅最大电压会大为降低,而且里面使用的材料也会「钝化」,变得不那么容易反应。我们准备了一大堆旧电池准备要爆个过瘾,没有想到的是,不仅全部的旧电池都没爆掉,连全新的电池都不见得每颗都爆。这是不是说买二手的电池搞不好比较安全?XD
但是爆炸是一回事,我们从探针上的温度计还是看到了非常可怕的温度,电池短路后内部温度常常在 100 度以上,想必这么烫一块东西放在裤子口袋里还是不可能舒服的吧!
锂离子电池有什么安全措施?为了避免锂离子电池过热,甚至爆炸,现代的锂离子电池内建了许多自我保护的机制。首先,每颗锂离子电池(或在笔电的例子中,整组电池组)都内建了一颗控制芯片,这颗控制芯片会监控电池的电压(电池组的话,会监控其中每个电池的个别电压)和温度,超出设定的范围,芯片就会自动断电。此外,每颗电池还会设计排气孔,让因高温产生的气体可以顺利地排掉,不至于累积产生爆炸。
这些保护措施对没有实体受到伤害的电池来说是足够了,但如果是被破坏(例如被穿刺)的锂电池怎么办?这就是工研院新研发的 STOBA 电池的强项了。STOBA 电池在电解液内加入了一种「奈米级的高分子材料」,当受热时,这种高分子材料会聚合成一种具有隔离效果的薄膜,阻止锂离子的流动,切断暴走的短路电池继续加热电池的可能。这种技术不仅阻止电池爆炸,也阻止了电池可能过热的危险,大部份我们看到的实验,温度都没超过摄氏 60 度 -- 还是会烫,但至少没有引燃周围可燃物的危险。