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鋰電池的安全性設(shè)計

  
評論: 更新日期:2015年06月02日

 為了避免因使用不當造成電池過放電或者過充電,在單體鋰離子電池內(nèi)設(shè)有三重保護機構(gòu)。一是采用開關(guān)元件,當電池內(nèi)的溫度上升時,它的阻值隨之上升,當溫度過高時,會自動停止供電;二是選擇適當?shù)母舭宀牧?,當溫度上升到一定?shù)值時,隔板上的微米級微孔會自動溶解掉,從而使鋰離子不能通過,電池內(nèi)部反應(yīng)停止;三是設(shè)置安全閥(就是電池頂部的放氣孔),電池內(nèi)部壓力上升到一定數(shù)值時,安全閥自動打開,保證電池的使用安全性。
  有時,電池本身雖然有安全控制措施,但是因為某些原因造成控制失靈,缺少安全閥或者氣體來不及通過安全閥釋放,電池內(nèi)壓便會急劇上升而引起爆炸。
  一般情況下,鋰離子電池儲存的總能量和其安全性是成反比的,隨著電池容量的增加,電池體積也在增加,其散熱性能變差,出事故的可能性將大幅增加。對于手機用鋰離子電池,基本要求是發(fā)生安全事故的概率要小于百萬分之一,這也是社會公眾所能接受的最低標準。而對于大容量鋰離子電池,特別是汽車等用大容量鋰離子電池,采用強制散熱尤為重要。
  選擇更安全的電極材料,選擇錳酸鋰材料,在分子結(jié)構(gòu)方面保證了在滿電狀態(tài),正極的鋰離子已經(jīng)完全嵌入到負極炭孔中,從根本上避免了枝晶的產(chǎn)生。同時錳酸鋰穩(wěn)固的結(jié)構(gòu),使其氧化性能遠遠低于鈷酸鋰,分解溫度超過鈷酸鋰100℃,即使由于外力發(fā)生內(nèi)部短路(針刺),外部短路,過充電時,也完全能夠避免了由于析出金屬鋰引發(fā)燃燒、爆炸的危險。
  另外,采用錳酸鋰材料還可以大幅度降低成本。
  提高現(xiàn)有安全控制技術(shù)的性能,首先要提高鋰離子電池芯的安全性能,這對大容量電池尤為重要。選擇熱關(guān)閉性能好的隔膜,隔膜的作用是在隔離電池正負極的同時,允許鋰離子的通過。當溫度升高時,在隔膜熔化前進行關(guān)閉,從而使內(nèi)阻上升至2000歐姆,讓內(nèi)部反應(yīng)停止下來。
  當內(nèi)部壓力或溫度達到預(yù)置的標準時,防爆閥將打開,開始進行卸壓,以防止內(nèi)部氣體積累過多,發(fā)生形變,最終導致殼體爆裂。
  提高控制靈敏度、選擇更靈敏的控制參數(shù)和采用多個參數(shù)的聯(lián)合控制(這對于大容量電池尤為重要)。對于大容量鋰離子電池組是串/并聯(lián)的多個電芯組成,如筆記本電腦的電壓為10V以上,容量較大,一般采用3~4個單電池串聯(lián)就可以滿足電壓要求,然后再將2~3個串聯(lián)的電池組并聯(lián),以保證較大的容量。
  大容量電池組本身必須設(shè)置較為完善的保護功能,還應(yīng)考慮兩種電路基板模塊:保護電路基板(Protection Board PCB)模塊及Smart Battery Gauge Board模塊。整套的電池保護設(shè)計包括:第1級保護IC(防止電池過充、過放、短路),第2級保護IC(防止第2次過壓)、保險絲、LED指示、溫度調(diào)節(jié)等部件。
  在多級保護機制下,即使是在電源充電器、筆記本電腦出現(xiàn)異常的情況下,筆記本電池也只能轉(zhuǎn)為自動保護狀態(tài),如果情況不嚴重,往往在重新插拔后還能正常工作,不會發(fā)生爆炸。
  目前,筆記本電腦和手機使用的鋰離子電池所采用的底層技術(shù)是不安全的,需要考慮更安全的結(jié)構(gòu)。
  總之,隨著材料技術(shù)的進步和人們對鋰離子電池設(shè)計、制造、檢測和使用諸方面要求的認識不斷加深,未來的鋰離子電池會變得更安全。
充電電壓
  一般手機電池電壓寫的是3.7V但一般充電器的電壓寫的是5V,但不會影響使用的,因為根本沒有3.7V的手機充電器賣. 新電池切勿過充
  對于新買的鋰離子電池的“激活”問題,眾多的說法是:充電時間一定要超過12小時,反復(fù)做三次,以便 激活 電池。這種“前三次充電要充12小時以上”的說法,明顯是從鎳電池(如鎳鎘和鎳氫)延續(xù)下來的說法。所以這種說法,可以說一開始就是誤傳。鋰電池和鎳電池的充放電特性有非常大的區(qū)別,而且可以非常明確的告訴大家,所有嚴肅的正式技術(shù)資料都強調(diào)過充和過放電會對鋰電池、特別是液體鋰離子電池造成巨大的傷害。因而充電最好按照標準時間和標準方法充電,特別是不要進行超過12個小時的超長充電。
  那么鋰電池需要激活嗎?答案是肯定的,需要激活!但是,這個過程是由生產(chǎn)廠家完成的,與用戶無關(guān),用戶也沒有能力完成。鋰電池真正的激活過程是這樣的:鋰離子電池殼灌輸電解液--封口--化成,就是恒壓充電,然后放電,如此進行幾個循環(huán),使電極充分浸潤電解液充分活化,直至容量達到要求為止,這個就是激活過程--分容,也就是說出廠后鋰離子電池到用戶手上已經(jīng)是激活過的了。另外,其中有些電池的激活過程需要電池處于開口狀態(tài),激活以后再封口,除非您擁有了電芯生產(chǎn)設(shè)備,否則如何完成?
  可是為什么有些產(chǎn)品的說明書上寫著,建議用戶前三次使用,要對手機進行完全的充放電呢?難道這不是激活嗎?其實事實是這樣的,在電池出廠,然后銷售,再到用戶的手中,會經(jīng)歷一段時間,一個月或者幾個月,這樣一來,電池的電極材料就會“鈍化”,此時容量低于正常值,使用時間亦隨之縮短。但鋰電池很容易 激活,只要經(jīng)過3-5次正常的充放電循環(huán)就可 激活 電池,恢復(fù)正常容量。由于鋰電池本身的特性,決定了它幾乎沒有記憶效應(yīng)。因此用戶新鋰電池在激活過程中,是不需要特別的方法和設(shè)備的。
長充、深充的危險
  長充可能導致過充。鋰電池或充電器在電池充滿后都會自動停充,并不存在鎳電充電器所謂的持續(xù)10幾小時的“涓流”充電。也就是說,如果你的鋰電池在充滿后,放在充電器上也是白充。而我們誰都無法保證電池的充放電保護電路的特性永不變化和質(zhì)量的萬無一失,所以你的電池將長期處在危險的邊緣徘徊。這也是我們反對長充電的另一個理由。
  在對某些機器上,充電超過一定的時間后,如果不去取下充電器,這時系統(tǒng)不僅不停止充電,還將開始放電-充電循環(huán)。也許這種做法的廠商自有其目的,但顯然對電池的壽命而言是不利的。同時,長充電需要很長的時間,往往需要在夜間進行,而以我國電網(wǎng)的情況看,許多地方夜間的電壓都比較高,而且波動較大。前面已經(jīng)說過,鋰電池是很嬌貴的,它比鎳電在充放電方面耐波動的能力差得多,于是這又帶來附加的危險。
  事實上,淺放淺充對于鋰電更有益處,只有在產(chǎn)品的電源模塊為鋰電做校準時,才有深放深充的必要。所以,使用鋰電供電的產(chǎn)品不必拘泥于過程,一切以方便為先,隨時充電。
過充、過放的危害
  鋰離子電池的額定電壓,因為近年材料的變化,一般為3.7V,磷酸鐵鋰(以下稱磷鐵)正極的則為3.2V。充滿電時的終止充電電壓一般是4.2V,磷鐵3.65V。鋰離子電池的終止放電電壓為2.75V~3.0V(電池廠給出工作電壓范圍或給出終止放電電壓,各參數(shù)略有不同,一般為3.0V,磷鐵為2.5V)。低于2.5V(磷鐵2.0V)繼續(xù)放電稱為過放,低電壓的過放或自放電反應(yīng)會導致鋰離子活性物質(zhì)分解破壞,并不一定可以還原。而鋰離子電池任何形式的過充都會導致電池性能受到嚴重破壞,甚至爆炸。鋰離子電池在充電過程必需避免對電池產(chǎn)生過充。
 

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