锂離(lí)子(zǐ)電池特性  

    锂是化學(xué)周期表上直徑最小也最活潑的(de)金屬。體積小所以容量密度高(gāo)，廣受消費者與工程師歡迎。但是，化學(xué)特性太活潑，則帶來了極高(gāo)的(de)危險性。锂金屬暴露在空氣中時，會與氧氣産生激烈的(de)氧化反應而爆炸。為(wèi)了提升安全性及電壓，科學(xué)家們發明了用石墨及钴酸锂等材料來儲存锂原子(zǐ)。這些材料的(de)分子(zǐ)結構，形成了奈米等 級的(de)細小儲存格子(zǐ)，可(kě)用來儲存锂原子(zǐ)。這樣一(yī)來，即使是電池外殼破裂，氧氣進入，也會因氧分子(zǐ)太大，進不了這些細小的(de)儲存格，使得锂原子(zǐ)不會與氧氣接觸而 避免爆炸。锂離(lí)子(zǐ)電池的(de)這種原理(lǐ)，使得人們在獲得高(gāo)容量密度的(de)同時，也達到安全的(de)目的(de)。  

锂離(lí)子(zǐ)電池充電時，正極的(de)锂原子(zǐ)會喪失電子(zǐ)，氧化為(wèi)锂離(lí)子(zǐ)。锂離(lí)子(zǐ)經由電解液遊到負極去(qù)，進入負極的(de)儲存格，并獲得一(yī)個電子(zǐ)，還原為(wèi)锂原子(zǐ)。放電時，整個 程序倒過來。為(wèi)了防止電池的(de)正負極直接碰觸而短(duǎn)路，電池內(nèi)會再加上一(yī)種擁有衆多細孔的(de)隔膜紙，來防止短(duǎn)路。好的(de)隔膜紙還可(kě)以在電池溫度過高(gāo)時，自(zì)動關閉細孔，讓锂離(lí)子(zǐ)無法穿越，以自(zì)廢武功，防止危險發生。

保護措施  

    锂電池芯過充到電壓高(gāo)于4.2V後，會開始産生副作用。過充電壓愈高(gāo)，危險性也跟着愈高(gāo)。锂電芯電壓高(gāo)于4.2V後，正極材料內(nèi)剩下的(de)锂原子(zǐ)數量不到一(yī)半，此時儲存格常會垮掉，讓電池容量産生永久性的(de)下降。如(rú)果繼續充電，由于負極的(de)儲存格已經裝滿了锂原子(zǐ)，後續的(de)锂金屬會堆積于負極材料表面。這些锂原子(zǐ)會由負極表面往锂離(lí)子(zǐ)來的(de)方向長(cháng)出樹枝狀結晶。這些锂金屬結晶會穿過隔膜紙，使正負極短(duǎn)路。有時在短(duǎn)路發生前電池就先爆炸，這是因為(wèi)在過充過程，電解液等材料會裂解産生氣體，使得電池外殼或壓力閥鼓漲破裂，讓氧氣進去(qù)與堆積在負極表面的(de)锂原子(zǐ)反應，進而爆炸。因此，锂電池充電時，一(yī)定要設定電壓上限，才可(kě)以同時兼顧到電池的(de)壽命、容量、和(hé)安全性。最理(lǐ)想的(de)充電電壓上限為(wèi)4.2V。  锂電芯放電時也要有電壓下限。當電芯電壓低(dī)于2.4V時，部分材料會開始被破壞。又由于電池會自(zì)放電，放愈久電壓會愈低(dī)，因此，放電時最好不要放到 2.4V才停止。锂電池從3.0V放電到2.4V這段期間，所釋放的(de)能量隻占電池容量的(de)3%左右。因此，3.0V是一(yī)個理(lǐ)想的(de)放電截止電壓。  

    充放電時，除了電壓的(de)限制，電流的(de)限制也有其必要。電流過大時，锂離(lí)子(zǐ)來不及進入儲存格，會聚集于材料表面。這些锂離(lí)子(zǐ)獲得電子(zǐ)後，會在材料表面産生锂原子(zǐ)結晶，這與過充一(yī)樣，會造成危險性。萬一(yī)電池外殼破裂，就會爆炸。  

因此，對锂離(lí)子(zǐ)電池的(de)保護，至少要包含：充電電壓上限、放電電壓下限、及電流上限三項。一(yī)般锂電池組內(nèi)，除了锂電池芯外，都會有一(yī)片保護闆，這片保護闆主要就是提供這三項保護。但是，保護闆的(de)這三項保護顯然是不夠的(de)，全球锂電池爆炸事件還是頻傳。要确保電池系統的(de)安全性，必須對電池爆炸的(de)原因，進行更仔細的(de)分析。

  爆炸類型分析  

    電池芯爆炸的(de)類形可(kě)歸納為(wèi)外部短(duǎn)路、內(nèi)部短(duǎn)路、及過充三種。此處的(de)外部系指電芯的(de)外部，包含了電池組內(nèi)部絕緣設計不良等所引起的(de)短(duǎn)路。  

當電芯外部發生短(duǎn)路，電子(zǐ)組件又未能切斷回路時，電芯內(nèi)部會産生高(gāo)熱，造成部分電解液汽化，将電池外殼撐大。當電池內(nèi)部溫度高(gāo)到135攝氏度時，質量好的(de)隔膜紙，會将細孔關閉，電化學(xué)反應終止或近乎終止，電流驟降，溫度也慢慢下降，進而避免了爆炸發生。但是，細孔關閉率太差，或是細孔根本不會關閉的(de)隔膜紙，會讓電池溫度繼續升高(gāo)，更多的(de)電解液汽化，最後将電池外殼撐破，甚至将電池溫度提高(gāo)到使材料燃燒并爆炸內(nèi)部短(duǎn)路主要是因為(wèi)銅箔與鋁箔的(de)毛刺穿破隔膜， 或是锂原子(zǐ)的(de)樹枝狀結晶穿破膈膜所造成。這些細小的(de)針狀金屬，會造成微短(duǎn)路。由于，針很細有一(yī)定的(de)電阻值，因此，電流不見得會很大。

 銅鋁箔毛刺系在生産過 程造成，可(kě)觀察到的(de)現象是電池漏電太快，多數可(kě)被電芯廠或是組裝廠篩檢出來。而且，由于毛刺細小，有時會被燒斷，使得電池又恢複正常。因此，因毛刺微短(duǎn)路引發爆炸的(de)機率不高(gāo)。      這樣的(de)說法，可(kě)以從各電芯廠內(nèi)部都常有充電後不久，電壓就偏低(dī)的(de)不良電池，但是卻很少發生爆炸事件，得到統計上的(de)支持。因此，內(nèi)部短(duǎn)路引發的(de)爆炸，主要還是因為(wèi)過充造成的(de)。因為(wèi)，過充後極片上到處都是針狀锂金屬結晶，刺穿點到處都是，到處都在發生微短(duǎn)路。因此，電池溫度會逐漸升高(gāo)，最後高(gāo)溫将電解液氣體。 這種情形，不論是溫度過高(gāo)使材料燃燒爆炸，還是外殼先被撐破，使空氣進去(qù)與锂金屬發生激烈氧化，都是爆炸收場。  

但是過充引發內(nèi)部短(duǎn)路造成的(de)這種爆炸，并不一(yī)定發生在充電的(de)當時。有可(kě)能電池溫度還未高(gāo)到讓材料燃燒、産生的(de)氣體也未足以撐破電池外殼時，消費者就終止充電，帶手機出門。這時衆多的(de)微短(duǎn)路所産生的(de)熱，慢慢的(de)将電池溫度提高(gāo)，經過一(yī)段時間後，才發生爆炸。消費者共同的(de)描述都是拿起手機時發現手機很燙，扔掉後就爆炸。  

    綜合以上爆炸的(de)類型，我們可(kě)以将防爆重點放在過充的(de)防止、外部短(duǎn)路的(de)防止、及提升電芯安全性三方面。其中過充防止及外部短(duǎn)路防止屬于電子(zǐ)防護，與電池系統設計及電池組裝有較大關系。電芯安全性提升之重點為(wèi)化學(xué)與機械防護，與電池芯制造廠有較大關系。

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