锂电池的安全性
2006级化学系 张文菖 20520062203156
一，综述
今年6月，戴尔笔记本在会场上突然自燃，接着又发生其他品牌笔记本的爆炸事件。据调查，这些爆炸的笔记本均是由于索尼生产的锂电池有问题引起的。一时间，戴尔宣布全球召回420万块有缺陷电池，其他厂商也积极跟进，总共召回电池近1300万块，创历史记录。
爆炸后的戴尔笔记本
“电池门”的丑闻使我们不得不思考锂电池的安全性……
二，锂电池爆炸原因分析
早期的锂电池的负极材料是单质锂。在充放电过程中，金属锂在负极极板上反复溶解和析出，析出的金属锂在大多数的情况下都呈枝晶状。这些枝晶状金属锂可能穿破隔膜，使电池的正极板和负极板短路，从而使电池内部温度迅速升高。由于很多金属锂电池都采用可然性的有机电解液，所以当电池内部温度达到一定数值后，有机电解液可能着火，进而引起电池爆炸。
近年来，出现了不采用金属锂作负极的锂离子电池。它在过充放电方面存在着安全问题。先来了解一下锂离子电池的工作原理：“摇椅理论”。锂离子电池常采用不同类型的含锂化合物作正极，负极则由石墨一些的物质形成层状结构，Li+可填充其中。充电时，阴极的锂离子离开含锂化合物，透过隔膜向阳极移动，并嵌入阳极的层状结构；放电时，锂离子离开负极，移向正极并结合于正极的化合物中。Li+伴随着两极材料本身发生放电二产生的氧化态的变化二反复脱嵌与嵌入，往返于两极之间，故称为“摇椅理论”。但是，在充电时，石墨的碳原子对锂原子产生了强烈作用，形成具有稳定化学键的化合物，其中锂是以亚原子形态存在，相对比较稳定；由于锂不是离子态，而且碳对其引力也不是很强大，因此仍具有一定活性，可与空气中水发生放热反应，反应放出的热量进一步激活锂亚原子，使其具有更高活性，反应进一步加剧。如果荷电荷量比较大，锂亚原子数量较多，反应量很大，就会产生自燃现象。这表明锂离子电池过流充电时会发生爆炸，特别是锂离子电池充电5倍率以上时容易爆炸。此外，锂离子电池过热（150℃以上）会发生爆炸。由于锂是以亚原子状态存在，在受热条件下，其活性大大增加，在超过150℃以上时锂的作用大大减弱，锂的电子与锂原子核距离很近，接近或达到锂原子状态，锂原子能与电解液反应，造成电池爆炸。
三，采取措施避免或减少锂电池爆炸
⑴改进锂电池的结构
①Li/MnO2电池的一种结构
锂－二氧化锰电池是一种典型的有机电解质电池，是以金属锂为负极，二氧化锰为正极，电解质溶液是高氯酸锂溶解于有机溶剂碳酸丙烯酯（PC）和乙二醇二甲醚（DME）之中构成的溶液。其外形主要有圆柱形或钮扣形，如图所示。图a所示为一种大型高倍率电池，带
有安全阀，在电流输出过大或滥用时，安全阀起作用，气体从排气孔外泄，防止危险的进一步发展。B图示为一种典型的扣式电池结构。正极是在骨架上涂膏而做成薄型电极，然后正负级卷绕成电极对放入外壳而成。这种结构也有排气孔，同样起着安全阀的作用。
②单体锂离子电池内的安全机构
圆柱形锂离子电池的内部结构如下图所示。正极板和负极板卷成螺旋状，插在圆柱形的容器中，两极板之间夹入薄膜状隔板。在充放电过程中，为了使锂离子能够通过隔板，隔板上有亚微米级的微孔，电解液为有机溶剂。
使用过程中，为了防止因过充电、过放电、超温而损坏，单体锂离子电池内设有一下三种安全机构：
1，单体锂离子电池内，正极和正极板引线之间串联有正温度系数热敏电阻PTC。在正常工作温度下，PTC的阻值很小，不影响电池充放电。当因电池短路或过电流而使电池内部温度升高时，PTC阻值增大。当电池内部温度超过设定的极限温度后，PTC将自动切断正极与正极板之间的电路，从而使锂离子电池停止工作。应当说明，锂离子电池的最高工作温度是60℃，但在某些特殊情况下，锂离子电池的环境温度可能超过60℃。因此设定温度保护极限时，应当留有一定的裕量。但是电池内部温度绝对不能超过120℃，否则电池内部将产生热失控，从而引起电池起火或爆炸。
2，锂离子电池的隔板选用特殊的材料，在正常工作范围内，锂离子可通过隔板上的微孔，在正负极板之间移动，当因电池短路或过电流而使电池内部温度超过极限温度时，隔板上的微孔将因隔板材料自动溶解而堵塞，锂离子不能在正负极板之间移动，电池内部的化学反应终止，从而有效地防止锂离子电池起火或爆炸。
3，在单体锂离子电池地顶盖上，装有安全出气孔，电池正常工作时，该出气孔关闭。当因过充电而使电池内部气体压力超过极限值时，除了切断内部电路外，安全出气孔还将自动打开，使内部的气体迅速释放，有效地防止电池因内部气体压力过大而爆炸。
③锂离子电池组的保护措施
为了防止因过充电、过放电、过电流或过热而损坏，通常锂离子电池组中都装有保护电路。单体锂离子电池常用的保护电路如图所示，该电路主要由单体锂离子电池保护专用集成电路AIC1801、功率MOSFET管Vr1、Vr2、和过充电、过放电、过电流延时电路等部分组成。
功率开关管Vr1、Vr2反向串联，组成充放电控制双向开关。电池充电时，AIC1801使充电电流从电池组正极（BATT+）流入，经过保险丝F、单体锂离子电池、Vr1的体二极管、Vr2到电池组的负极。电池放电时，负载应接在电池组的正极（BATT+）和负极（BATT-）之间，电池组放电电流从电池组的正极经负载流入电池组的负极，然后经Vr2的体二极管、Vr2，单体锂离子电池、保险丝F，返回电池组正极。
单体电池过充电时，电池电压检测脚BTH的电压超过规定的充电门限电压，经过TC脚外接电容设定的延迟时间后，过充电保护脚OC变为高电平，晶体管Vr3导通，Vr2关断，充电电流中断，因而可以有效地防止锂离子电池过充电。
单体锂离子电池过放电时，电池电压检测脚BTH的电压低于规定的放电门限电压，经TD脚外接电容设定的延迟时间后，过放电控制脚OD的电压下降到OV，放电控制开关Vr1关断，因而可以有效地防止锂离子电池过放电。
电池放电电流流过放电控制开关管Vr1，从而在Vr1的导通电阻RDS两端产生压降，该压降通过电阻R3加到AIC1801的电流取样脚CS，当放电电流过大或者负载短路时，CS脚的电压超过过流保护门限电压，经过一定时间延迟后，过放电控制脚OD电压下降到OV，放电控制开关管Vr1关断，从而可以防止锂离子电池因过放电电流过大而损坏。应当说明，该电路不能防止充电电流过大。
多只串联锂离子电池组的保护电路与单只锂离子电池保护电路的原理基本相同，只是取样电路不同，多只锂离子电池串联时，为了确保安全工作，必须从每一只锂离子电池两端取样，只要有一只电池的电压高于或低于过充电保护门限电压，充电控制器或放电控制器功率开关管即关断，有效地防止锂离子电池组过充电或过放电。
④智能充电器对锂离子电池组的保护
锂离子充电过程通常可分为预充电、恒流充电、恒压充电和维护充电等，如下图所示。
在预充电状态下，充电器检测电池是否短路，电池组的极性是否接错。为了防止因充电电流过大而损坏锂离子电池，在预充电状态下，充电电流将以一定的速率逐渐上升，达到额定值后，充电电流才稳定不变。
在恒流充电状态下，智能快速充电器还连续监控电池组的电压和温度，当单体电池的电压达到4.2V或电池组的温度超过60℃后，充电器将立即停止对锂离子电池充电，因而可有效地防止锂离子电池因过充电或温度过高而损坏。
在恒压充电状态下，智能充电器可保证充电电压稳定在额定值地±50mv之内，有效地避免因电压波动过大而影响电池的寿命。在恒压充电过程中，智能充电器连续监控电池组的电压、电流、温度和充电时间。当单体电池的电压超过4.2V、温度超过60℃、充电电流超过规定值时，智能充电器都会立即中止锂离子电池充电。万一在电压、电流和温度控制失效的情况下，充电时间达到规定的最长充电时间后，智能充电器也能自动停止充电，从而可靠地避免锂离子电池因过充电而起火或爆炸。
在维护充电状态下，充电电流将降到补偿自放电所需的最小电流，即使充电器长期加到电池组上，锂离子电池组也不会因过充电而损坏。
⑵制定相关标准规范锂电池的生产
2002年，我国制定了第一个涉及锂电池安全的国家标准，对锂电池在正常使用和合理
预见误用的情况下的性能要求及检测方法做了具体的规定，目的是为了确保锂电池在 生产和使用中的安全。
但是，这只是对锂电池的一些基本安全要求，并没有细分到具体产品。中国的锂电池规范仍然空白。
而全球范围内，理电池标准混乱。国家标准、行业标准各行其是。总体而言，大致分为两个体系，一是以国家标准为代表的地方派，如JIS(日本国家标准)，另外一类为行业体系，如IEEE（美国电气及电子工程师学会）、IEC（国际电工委员会）。这两类标准体系虽然在大致监测项目上相似，但各自又有不同的强调重点。这种情况下，锂电池生产商为了进入世界市场，不得不通过多种认证。
IEEE1625标准认同率高
目前，在笔记本锂电池领域，诞生于2004年的“IEEE1625”认同率较高，该标准全名为“美国电气及电子工程师协会移动计算机用充电电池IEEE1625规格”。该规格规定了便携式电脑充电电池的外形、环保性、电池单元以及封装等方面的最低标准。根据这一规范，有效防止由高温、撞击、振动等外界原因所造成的事故。这一标准得到认同的另一个原因是充分考虑了生产商的因素，标准制定工作组中有一批笔记本、电池的生产商，包括戴尔、惠普、IBM、摩托罗拉、松下、索尼、德州仪器等。
电池要建新标准 国内企业不知情
最近，据国外媒体报道，戴尔、苹果、联想等电子电路和电子行业互联协会（IPC）OEM关键元件委员会成员已经决定，在下月中旬在加州圣何塞举行峰会，开发针对笔记本电脑和手持电子产品的锂离子电池生产标准。电子设备标准制定组织IPCOEMCCC主席JohnGrosso称，他们将对锂离子电池的设计、性能和安全标准进行评估，然后制定出一套统一的业界标准。建立一套标准，显然对电池的安全使用有莫大的好处。
四，锂电池使用的安全注意事项
1、尽可能地使用原装充电器。原装电池无论是做工、材料、安全等各方面完全按照国际电工安全标准制造的，基本是可以保证电池安全;而假冒电池不但少了过流保护器、过充保护线路和温度传感器，容易引起爆炸。兼容充电器虽说也能使用，但有些因为电气性能不合格，也会损坏电池。
2、 不要将电池放在高温环境下。高温会导致电池热量提升，这时极容易爆炸。所以对电池进行充电或是放置带电池的数码产品时，一定要选择远离高温的地方，同时也要避免夏天时阳光的直射。此外在用笔记本电脑时，长期地插着电源不但会造成电池长期处于饱和充电状态使其温度过高，相对的高温也会影响本身电池的化学活性，最后使电池的容量降低，而且容易引起危险。长时间使用外接电源的用户，在电池充满之后尽量能将电池取下，让电池自然放电，减少事故发生的可能性。
3、注意按照说明书的规定充电。第一次使用的铿电池应先充足电，一般不少于六小时，以后每次充电不可超过24小时，电池还有残余电力时尽量不要重复充电。充电的时要留意电池和充电器的温度，发热是正常的，如果太热，会烫手就不正常了。当电池满了，充电器就会对电池进行饱和充电，这时候，电池的温度也会相对增高，危险性增大。若电池一段时间不使用，应将其完全放电且放置在干燥、阴凉的地方。当以后重新使用时，至少要有一次充电/放电的循环过程，才能发挥电池原来的功效。由于一般电池的电极接点均是裸露在外的，还应避免暴露在潮湿、高温的环境中，以免造成短路的现象。
4、 要使用破损的原厂电池。铿电池破损后，在特殊的温度、湿度以及接触不良等情况或环境下也可能瞬间放电产生大电流，引发自燃或爆炸。
5, 注 使用电池的方法。特别是手机充电的位置一般都在机底附近，分别带有正极和负极的两块铜片。若两块铜片无意中被金属物品连接起来，皆有可能出现短路，产生高温爆炸。不能把手机与金属物品如锁匙、硬币等同放裤袋。如发现手机发热，应尽快取出电池。
6，锂离子电池有4.1V及4.2V终止充电的不同品种，因此在充电时注意的是4.1V的电池不能用4.2V的充电器充电，否则会有过充的危险(4.1V与4.2V的充电器用的充电器IC是不同的!)
7，对于直充和座充的问题，我认为，如果时间允许的情况下最好用座充，这样既可以延长电池的使用寿命同时也可以增加单次的充电容量；
8，如果电池长时间的不使用，那么最好是充入 40 ％左右的电量在 10 ～ 30 ℃的温度下保存，并每半年左右补一次电；
B&lq JtZ*~ a0 9，对于刚买的新电池，有人说前三次充电必须要充十几个小时以便充分的激活电池，我认为没有这个必要，当然对于新电池来说前几次的容量可能比以后会有所减少，那是电池长期存储，活性物质表面钝化 造成的 ，我认为前几次充电用座充充到绿灯亮以后一两个小时足够了，当然充电时间会随你的充电器的充电电流和你电池的容量的不同会有变化，总之并不是充电时间越长越好，这样非但不能激活电池，相反会影响寿命，严重的话（如果你的充电器电压精度控制不够）还会爆炸。 厦大在线(原厦大生活网_凤凰树下合并) C\ D!K-e
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10，以下是国家标准中对锂电池安全使用的建议：
