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三星手机电池爆炸部分坏事在隔离膜上,裸电芯绝缘检测不容忽视

放大字体  缩小字体 发布日期:2016-09-18  来源: 第一电动网  作者:鑫椤资讯
  锂电池,全称锂离子电池,在放电时候,锂离子从负极到正极,最终嵌入正极;充电时候,锂离子从阴极到阳极,最终嵌在负极石墨上。
 
  锂离子来回摇摆,正负极始终不相接触,通过外电路相连,在锂离子迁移的同时,外电路相应的电子运动,产生电流。这就是电池的基本奥义,可充电放电。如果正负极直接接触,造成短路,电能转换成为热能,就会造成短时间温度飙升失控,进而燃烧爆炸。防止电池内部阴阳极短接保证电池使用安全,这就是电池的第二奥义。电池中,隔离阴阳极的组件称为隔离膜(板),它是一层具有一定强度的多孔结构高分子聚烯烃膜,也就是一层有孔的塑料。
 
  电池在长期使用过程中,因为充放电时正极负极材料的微观结构变化的不可逆,导致整个电芯体系的体积会有所增大,特别是高能量密度和快速充电的电池。高能量密度电芯设计会采用克容量(单位重量可充电量)更高的正负极材料,这些材料的特性之一就是嵌入锂离子时体积增大程度更甚。电芯膨胀会对隔离膜产生一个挤压/拉伸作用,这时候隔离膜有较大的破损风险。这次烧的三星note7电池,在现在主流手机厂商/型号中,能量密度是最高的(见下表,数据来自各官网资料),还都使用了1.2C快充。风险不可谓不高。按照三星之前的分析,SDI电池起火的有一部分原因就坏事在隔离膜上。
 

 
  一个是电芯隔离膜Overhang不够,一个是电池在充放电时候,因为异物颗粒的缘故,隔离膜受到挤压,导致隔离膜片破损。电池设计制造从业者应该从一开始就识别出这种安全风险高的缺陷,并加以防控。特别是对于动力电池来说,几十甚至上百倍的单体容量,一旦发生短路,产生的能量失控释放后果是更加严重。
 
  Overhang,是指隔离膜多出正负极极片之外的部分,一般会根据电池极片的宽度加上相应的设计余量来规定。Overhang的设计要考虑电芯制造过程和使用过程中隔离膜的尺寸变化。
 

 
  比如,现有锂电池体系对于电芯内部的水含量要求比较严格,因为水分会导致电池在充放电时候产生更多的副反应,消耗电解液,损坏正负极活性表面,改变活性物质结构等,使电池的可充放电性能下降,缩短电池使用寿命。
 
  所以,电芯都会有一个高温除水的工序,这时候,聚烯烃隔离膜因为热记忆效应,会产生热收缩,造成尺寸减小,阴阳极接触的风险会增加!另外再说异物颗粒。电芯在整个制造过程中,非常容易带入异物颗粒,比如:隔离膜来料异物,隔离膜处理引入,正极负极颗粒掉落,机器磨损产生金属颗粒,空气尘埃,员工操作引入等。这些颗粒由于导电性能,颗粒大小,颗粒硬度,颗粒表面几何形状等,挤破隔离膜的风险也不尽相同。异物颗粒较多的电池,往往电压降较快,使用寿命较短,随着电池使用时间的增加,这种电芯短路燃烧的风险也更大。如此大的短路风险,是否有方法能够识别呢?
 
  参考沿用电子电器行业的绝缘性测试方法,现在大部分的电池厂都会对电芯进行绝缘性测试。美标/国标针对电器的绝缘性测试是一个击穿测试,在受测元件的两端加上一个高电压,如果绝缘隔离单元存在缺陷或者绝缘性能不够,就会出现漏电流,视为导通,记录击穿电压。一般绝缘线缆的击穿电压要求在2000V以上。电芯进行绝缘性测试时,是进行耐压测试,通常是规定一个电压,加载在电芯两端,如果电芯阻值小于某个规定值,即视为短路。
 
  对于隔离膜存在缺陷或者因为Overhang不足导致阴阳极直接接触的情况,这时候的短路电阻一般都在kohm级别以下。对于存在异物颗粒,特别是导电性较好/危险系数较高的金属颗粒的情况下,其检出电阻一般在快接近Mohm级别的水平。耐压测试一般被认为是无损测试,其测试过程可以等效为一个电容充电过程,在撤去测试电压后,携带电荷会很快散尽。但是在导电颗粒存在的地方,甚至会形成畸变电场,产生尖端放电,将隔离膜击穿,电压越高,这种表现越明显,颗粒检出的概率就越高。
 
        电池安全事大,不可不察,裸电芯绝缘性不可不关注也。 
 
关于我们:中国化学与物理电源行业协会(China Industrial Association of Power Sources,缩写:CIAPS) 是由电池行业企(事)业单位自愿组成的全国性、行业性、非营利性的社会组织。协会成立于1989年12月,现有550多家会员单位,下设碱性蓄电池与新型化学电源分会、酸性蓄电池分会、锂电池分会、太阳能光伏分会、干电池工作委员会、电源配件分会、移动电源分会、储能应用分会、动力电池应用分会和电池隔膜分会等十个分支机构。
本会专业范围包括:铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、氢镍蓄电池、锌锰碱锰电池、锂一次电池、锂离子电池、太阳电池、燃料电池、锌银电池、热电池、超级电容器、温差发电器及其他各种新型电池、电池系统解决方案,以及各类电池用原材料、零配件、生产设备、测试仪器和电池管理系统等。

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