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三星電池爆炸部分在隔離膜上 裸電芯絕緣檢測不容忽視

2016-09-19

  鋰電池,全稱鋰離子電池,在放電時候,鋰離子從負極到正極,最終嵌入正極;充電時候,鋰離子從陰極到陽極,最終嵌在負極石墨上。

  鋰離子來回搖擺,正負極始終不相接觸,通過外電路相連,在鋰離子遷移的同時,外電路相應的電子運動,產生電流。這就是電池的基本奧義,可充電放電。如果正負極直接接觸,造成短路,電能轉換成為熱能,就會造成短時間溫度飆升失控,進而燃燒爆炸。防止電池內部陰陽極短接保證電池使用安全,這就是電池的第二奧義。電池中,隔離陰陽極的組件稱為隔離膜(板),它是一層具有一定強度的多孔結構高分子聚烯烴膜,也就是一層有孔的塑料。

  電池在長期使用過程中,因為充放電時正極負極材料的微觀結構變化的不可逆,導致整個電芯體系的體積會有所增大,特別是高能量密度和快速充電的電池。高能量密度電芯設計會采用克容量(單位重量可充電量)更高的正負極材料,這些材料的特性之一就是嵌入鋰離子時體積增大程度更甚。電芯膨脹會對隔離膜產生一個擠壓/拉伸作用,這時候隔離膜有較大的破損風險。這次燒的三星note7電池,在現在主流手機廠商/型號中,能量密度是最高的(見下表,數據來自各官網資料),還都使用了1.2C快充。風險不可謂不高。按照三星之前的分析,SDI電池起火的有一部分原因就壞事在隔離膜上。

  主流廠商電池對比

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  一個是電芯隔離膜Overhang不夠,一個是電池在充放電時候,因為異物顆粒的緣故,隔離膜受到擠壓,導致隔離膜片破損。電池設計制造從業者應該從一開始就識別出這種安全風險高的缺陷,并加以防控。特別是對于動力電池來說,幾十甚至上百倍的單體容量,一旦發生短路,產生的能量失控釋放后果是更加嚴重。

  Overhang,是指隔離膜多出正負極極片之外的部分,一般會根據電池極片的寬度加上相應的設計余量來規定。Overhang的設計要考慮電芯制造過程和使用過程中隔離膜的尺寸變化。

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  比如,現有鋰電池體系對于電芯內部的水含量要求比較嚴格,因為水分會導致電池在充放電時候產生更多的副反應,消耗電解液,損壞正負極活性表面,改變活性物質結構等,使電池的可充放電性能下降,縮短電池使用壽命。

  所以,電芯都會有一個高溫除水的工序,這時候,聚烯烴隔離膜因為熱記憶效應,會產生熱收縮,造成尺寸減小,陰陽極接觸的風險會增加!另外再說異物顆粒。電芯在整個制造過程中,非常容易帶入異物顆粒,比如:隔離膜來料異物,隔離膜處理引入,正極負極顆粒掉落,機器磨損產生金屬顆粒,空氣塵埃,員工操作引入等。這些顆粒由于導電性能,顆粒大小,顆粒硬度,顆粒表面幾何形狀等,擠破隔離膜的風險也不盡相同。異物顆粒較多的電池,往往電壓降較快,使用壽命較短,隨著電池使用時間的增加,這種電芯短路燃燒的風險也更大。如此大的短路風險,是否有方法能夠識別呢?

  參考沿用電子電器行業的絕緣性測試方法,現在大部分的電池廠都會對電芯進行絕緣性測試。美標/國標針對電器的絕緣性測試是一個擊穿測試,在受測元件的兩端加上一個高電壓,如果絕緣隔離單元存在缺陷或者絕緣性能不夠,就會出現漏電流,視為導通,記錄擊穿電壓。一般絕緣線纜的擊穿電壓要求在2000V以上。電芯進行絕緣性測試時,是進行耐壓測試,通常是規定一個電壓,加載在電芯兩端,如果電芯阻值小于某個規定值,即視為短路。

  對于隔離膜存在缺陷或者因為Overhang不足導致陰陽極直接接觸的情況,這時候的短路電阻一般都在kohm級別以下。對于存在異物顆粒,特別是導電性較好/危險系數較高的金屬顆粒的情況下,其檢出電阻一般在快接近Mohm級別的水平。耐壓測試一般被認為是無損測試,其測試過程可以等效為一個電容充電過程,在撤去測試電壓后,攜帶電荷會很快散盡。但是在導電顆粒存在的地方,甚至會形成畸變電場,產生尖端放電,將隔離膜擊穿,電壓越高,這種表現越明顯,顆粒檢出的概率就越高。

  電池安全事大,不可不察,裸電芯絕緣性不可不關注也。


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