一、鋰離子電池的結(jié)構(gòu)與工作原理

所謂鋰離子電池是由兩個可嵌入與可脫嵌鋰離子的材料作為電池的正極與負(fù)極，實現(xiàn)可多次充放電功能的二次電池。鋰離子電池是依靠鋰離子在正負(fù)極之間的轉(zhuǎn)移來完成電池充放電工作。

當(dāng)電池充電時，鋰離子脫離正極嵌入到負(fù)極中，放電時方向正好相反。這樣就需要正極在制作前就處于嵌鋰狀態(tài)，常規(guī)會選用相對鋰而言電位大于3V且在空氣中穩(wěn)定的鋰化合物，如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiFePO4、LiNi4Co4Mn2等化合物。

負(fù)極材料常規(guī)會選擇電位盡可能接近鋰電位的可嵌入鋰離子的物質(zhì)，如石墨、碳纖維、石墨烯、鈦酸鋰等。

電解質(zhì)常規(guī)采用LiPF6的乙烯碳酸脂（EC）、丙烯碳酸脂（PC）和低粘度二乙基碳酸脂（DEC）等烷基碳酸脂搭配的混合溶劑體系。

隔膜采用聚烯微多孔膜如PE、PP或它們復(fù)合膜，尤其是PP/PE/PP三層隔膜不僅熔點較低，而且具有較高的抗穿刺強度，起到了熱保險作用。

外殼采用鋼或鋁材料，正極蓋體組件具有防爆斷電的安全保護功能。

相對于其他類型的電池產(chǎn)品，鋰電池具有重量輕、容量大、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點，在數(shù)碼設(shè)備、小型電動工具及大型儲能設(shè)備及新能源動力電池都采用鋰離子電池作儲能裝置，鋰離子電池的能量密度高，容量是同重量的鎳氫電池的1.5~2倍，而且具有很低的自放電率；此外，鋰離子電池幾乎沒有“記憶效應(yīng)”及不含有毒物質(zhì)。

二、鋰電池設(shè)計時所采取的基本安全措施

根據(jù)鋰電池材料體系的不同，鋰電池充電時電壓高于鋰電池的極限電壓后，便開始產(chǎn)生副作用，過充電壓越高，危險性也跟著越高。鋰電芯電壓高于極限電壓后，正極材料內(nèi)剩下的鋰離子數(shù)量不到一半，此時儲存格會垮掉，讓電池容量產(chǎn)生永久性的下降。如果繼續(xù)充電，由于負(fù)極的儲存格已經(jīng)裝滿了鋰離子，后續(xù)的鋰離子會堆積于負(fù)極材料表面長出枝狀結(jié)晶，這些鋰結(jié)晶會刺穿隔膜，使正負(fù)極短路。有時在短路發(fā)生前電池就可能已經(jīng)爆炸，這是因為在過充過程，電解液等材料會裂解產(chǎn)生氣體，使電池外殼或壓力閥鼓漲破裂，空氣中的氧氣與堆積在負(fù)極表面的鋰原子發(fā)生反應(yīng)爆炸。因此，鋰電池充電時，一定要設(shè)定電壓上限，才可以同時兼顧到電池的壽命、容量和安全性。

鋰電芯放電時也要有電壓下限，當(dāng)電芯電壓低于極限電壓時，部分材料會開始被破壞。同時因為鋰電池本身會自放電，放置時間越久電壓會越低。因此在設(shè)計鋰電池時，放電截至電壓的設(shè)定會充分考慮這些因素，鋰電池從截止放電電壓到安全電壓這段期間，所釋放的能量只占電池容量的3%-5%左右。

充放電時，除了電壓的限制，電流的限制也非常必要。電流過大時，鋰離子來不及進入儲存格，會聚集于材料表面。這些鋰離子獲得電子后，會在材料表面產(chǎn)生鋰原子結(jié)晶，這與過充一樣，會造成危險性。

因此，對鋰離子電池的保護，至少要包含：充電電壓上限、放電電壓下限、及電流上限三項。一般鋰電池組內(nèi)，除了鋰電芯外，都會有一片保護板或者功能豐富的BMS電池管理系統(tǒng)。

三、電池可能的爆炸原因分析

鋰電芯爆炸的原因可能是外部短路、內(nèi)部短路及過充，包含電池組內(nèi)部絕緣設(shè)計不良等所引起的短路。

因此，對鋰離子電池的保護，至少要包含：充電電壓上限、放電電壓下限、及電流上限三項。一般鋰電池組內(nèi)，除了鋰電芯外，都會有一片保護板或者功能豐富的BMS電池管理系統(tǒng)。

內(nèi)部短路主要是因為分切不良的銅箔與鋁箔的毛刺刺穿隔膜，或是由于過充原因形成的鋰枝狀結(jié)晶刺穿膈膜所造成。細(xì)小極片毛刺會造成微短路，因為毛刺很細(xì)有一定的電阻值，因此，電流不見得會很大。

銅、鋁箔毛刺是在生產(chǎn)過程中因為分切不良造成，可檢測到的現(xiàn)象是電芯自放電太快，大多數(shù)情況下可以在后端篩選時檢測出來。而且由于毛刺細(xì)小，有時會被燒斷，使得電池又恢復(fù)正常。因此，因毛刺微短路引發(fā)爆炸的機率并不高。

力朗電池（PLB）通過在線檢測設(shè)備“二次元影像觀測儀“（如上圖）可有效檢測極片毛刺情況，二次元影像儀能將圖像放大500倍，能清晰判斷毛刺情況。

內(nèi)部短路引發(fā)的爆炸，主要還是因為過充原因造成。因為，過充后極片上到處都是鋰枝結(jié)晶，刺穿點到處都是，到處都發(fā)生微短路。因此，電池溫度會逐漸升高，最后高溫將電解液氣化。這種情形，不論是溫度過高使材料燃燒爆炸，還是外殼先被撐破，使空氣進去與鋰金屬發(fā)生激烈氧化，都會爆炸。

綜合以上爆炸的類型，我們可以將防爆重點放在過充的防止、外部短路的防止及提升電芯安全性三方面。其中過充防止及外部短路防止屬于電子防護，屬于電池組系統(tǒng)設(shè)計及電池組裝有較大關(guān)系；電芯安全性的提升重點是化學(xué)與結(jié)構(gòu)設(shè)計防護，與電池芯的設(shè)計與制造過程品質(zhì)控制有較大關(guān)系。

四、設(shè)計規(guī)范涉及的幾個方面

電池保護板或BMS電池管理系統(tǒng)硬件冗余設(shè)計，預(yù)防電子元器件失效而引起的整個保護系統(tǒng)失效。電池管理系統(tǒng)如能對過充、過放、過流都分別提供兩道安全防護，此外為了提升BMS系統(tǒng)的可靠性，力朗電池的BMS產(chǎn)品須經(jīng)過高溫老化處理，提供ESD、浪涌防護及防潮防塵這些基本功能。

在電動汽車電池系統(tǒng)中，BMS電池管理系統(tǒng)不擔(dān)要提過過充、過放、過流保護功能，還要對龐大的電池系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行監(jiān)控與管理。為了保證電池工作在相同的溫度環(huán)境下，BMS還要監(jiān)控所有電芯的工作溫度，具備熱平衡功能，高效水冷電池模組可將電池工作溫度有效控制在25±2℃。此外為了提升車輛電池安全性，BMS集成落水監(jiān)測、煙霧監(jiān)測、碰撞監(jiān)測、翻車監(jiān)測、遠(yuǎn)程報警及自動滅火等安全功能。

鋰電芯在生產(chǎn)制造時會嚴(yán)格控制正極、負(fù)極、隔膜、電解液等主要原材料的品質(zhì)，從電芯結(jié)構(gòu)設(shè)計到電芯生產(chǎn)制造整個過程，都須經(jīng)過嚴(yán)格的品質(zhì)控制與在線檢測監(jiān)控程序，來保證鋰電芯的高品質(zhì)，通過嚴(yán)格的后端篩選與批次的破壞性檢驗，來保證每一顆出廠電芯的品質(zhì)都符合品質(zhì)要求，保證在過充、過放、過流、振動、機械沖擊、跌落、擠壓、翻轉(zhuǎn)、碰撞、刺穿等情況下符合品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

總之，電池系統(tǒng)設(shè)計時，必須對過充、過放與過流分別提供兩道電子防護。其中保護板或BMS電池管理系統(tǒng)是第二道防護,如果沒有外部保護的情況，電池發(fā)生爆炸就代表設(shè)計不良。

五、鋰電芯的品質(zhì)成為關(guān)鍵

如果外部保護失敗，對鋰電芯品質(zhì)提出更高的要求。電池如果在爆炸前，內(nèi)部有鋰原子堆積在材料表面，燃燒爆炸的威力會更大。所以鋰電芯抗過充能力比抗外部短路的能力顯得更為重要。

電芯抗外部短路的方法，通常包括使用高質(zhì)量的隔膜紙和采用壓力閥兩種措施。其中高質(zhì)量的隔膜效果最好，外部短路時超過百分之九十九的電池不會發(fā)生爆炸。力朗電池所生產(chǎn)的鋰電芯，每批次須經(jīng)過過充、過放、過流等檢測試驗，因為備有先進的設(shè)計理念及高度自動化的生產(chǎn)制造能力，力朗電池的品質(zhì)檢測合格率目前達(dá)到100%。