移动电话用锂离子电池安全性影响因子研究

庞 瑶，张霄霄，杨梦薇

(北京市产品质量监督检验院，北京101300)

移动电话用锂离子电池安全性影响因子研究

庞 瑶，张霄霄，杨梦薇

(北京市产品质量监督检验院，北京101300)

针对移动电话用锂离子电池产品结构和工作原理进行分析，并依据国家标准开展试验验证，得到安全性影响因子，并针对关键性影响因子进行研究，给出应对建议，为控制锂离子电池产品质量风险点，完善质量安全风险的系统监管，进一步为确定移动电话用锂离子电池产品安全风险奠定基础。

锂离子电池;安全性;影响因子

移动电话用锂离子电池近年来使用量不断增大,作为一种充电锂离子电池，主要依靠锂离子在正极和负极之间的移动来工作，由于锂的化学性质非常活泼，导致不合格电池引发的爆炸、着火等伤害案例时有发生[1]。

本文从移动电话用锂离子电池安全性角度出发，依据国家标准开展试验，识别不同的安全性影响因子并进行分析，以期实现对锂离子电池产品质量安全风险的系统监管，为进一步确定移动电话用锂离子电池产品安全风险奠定基础。

图1 锂离子电池内部结构图

1 锂离子电池产品安全性影响因子的确定

1.1 锂离子电池结构及工作原理

移动电话用锂离子电池主要由正极耳、负极耳、绝缘片、正极、负极、隔膜、塑料包装膜等组成，见图1。

由电池的结构可见，电池内部采用螺旋绕制结构[2]，采用隔离材料在正负极间间隔而成，当隔膜材料发生破坏时，正极与负极将直接接触，会导致短路，产生爆炸、着火等危险。此外，锂离子电池的充放电过程就是锂离子的运动过程，由于锂的化学性质非常活泼，当锂离子电池被误用或滥用时，电池内部容易升温，活化过程中所产生的过量气体膨胀，内压加大，也容易燃烧或膨胀爆炸。

因此，移动电话用锂离子电池存在较高的安全风险，只有通过分析其结构特点，发现其产生安全风险的影响因子，才能实现在生产环节重点加以监管与控制，提高产品的安全水平。

1.2 检验项目的确定

随机在市场上选购了60批次的移动电话用锂离子电池产品进行试验,依据GB 31241-2013《便携式电子产品用锂离子电池和电池组》标准进行检验，检验项目的选择主要是根据近年来国外通报、召回案例和国内发生的伤害案例，选取了当产品本身存在安全风险时，在消费者误操作的情况下可能产生风险的项目，包括重物冲击、热滥用和燃烧喷射。

重物冲击项目是考核锂离子电池在碰撞和粗暴装卸的情形中电池的质量状况；热滥用项目是考核锂离子电池遭受极端高温的情形时是否会发生爆炸；燃烧喷射项目是考核锂离子电池在置于火焰中产生爆炸时的危害程度。

1.3 检验结果的统计与分析

依据GB 31241-2013《便携式电子产品用锂离子电池和电池组》标准中的试验要求进行试验，重物冲击、热滥用和燃烧喷射三个项目均出现不合格，结果统计见图2。

图2 检验结果统计图

结合锂离子电池结构和工作原理，对于检验结果进行分析。重物冲击试验有4个产品发生着火现象，通过分析，主要原因是正极与负极之间的隔膜层在外部冲击力的作用下破裂，使得正负极形成短路，发生着火，同时由于正极离子和负极离子大面积聚集在一起，分子的剧烈运动产生了大量的热量，使得内部迅速充满了气体，气体从破损处可以排出，但大量热量的不断增加引燃了电池本体中易燃的材料，从而出现了着火的现象。

热滥用试验有9个产品发生起火燃烧的现象，高温条件下电池内部产生气体造成内压过大，带有泄气阀或非密封型的电池能够使压力泻出，防止爆炸；此项试验另一方面也是考查电池的材料，隔膜应具有热稳定性和自动关断保护性能，当电池内部温度高到130℃时，质量好的隔膜，会将细孔关闭，电化学反应终止或近乎终止，电流骤降，温度也慢慢下降，进而避免了爆炸发生。但是，质量差的隔膜，细孔关闭率低或是根本不会关闭，会让电池温度继续升高，更多的电解液气化，最后将电池外壳撑破爆炸，甚至将电池温度提高到使材料燃烧。

燃烧喷射试验，当用火焰加热锂离子电池时，能够引燃电池外壳材料，由于高温使得电池内部的分子剧烈运动，不断产生气体，在持续燃烧的过程中压力不断增大，带有泄气阀或非密封型的电池会将过大的压力释放，释放中电池由于气压变化发生窜动；无泄气阀或密封型的电池泄气效果差，因压力过大发生爆炸。由于电池使用的外壳材质不同，硬度过大的金属材质部件，在电池爆炸过程中任意飞溅，能量过大会对人身造成伤害，不合格产品测试图见图3。

图3 燃烧喷射试验不合格产品图

结合试验分析，移动电话用锂离子电池的风险主要是在非正常的使用环境下,可能发生着火、爆炸等危险。而导致着火、爆炸的最主要原因是隔膜受损导致内部短路，或是内部温度不断升高，电解质气化，且无法排出，最后将电池外壳撑破。因此，影响安全性的主要原因是原材料的质量较差和生产工艺水平较低，例如在生产过程中生产洁净度和干燥度不够，让太多水分和杂志进入电池。而其中隔膜、泄气阀和电解质又是影响安全性的最主要因素。

2 锂离子电池产品安全性影响因子的分析

2.1 隔膜

隔膜是锂离子电池的重要组成部分，在隔离正负极的同时，要保证离子自由通过并阻止电子流动[3]。

目前，对于隔膜的性能评价主要从物理特性、机械性能和热性能三大方面进行。其中物理性能主要包括隔膜的厚度、弯曲度、透气度、孔隙率和曲折度等；机械性能主要包括穿刺强度、拉伸强度与断裂伸长率和混合穿刺强度等；热性能主要包括热收缩率、熔融破断温度、闭孔温度等[4]。

结合试验情况，质量好的隔膜需要兼顾以上三方面的特性，不仅要具有一定的孔径和孔隙率，并且在保持良好力学性能的同时厚度尽可能小，从而能够更好地起到传递能量的作用；同时，当有重物施加到电池的力使得宽表面和窄表面同时承受挤压时，也要求隔膜不但要薄而且要有一定的强度韧性，在外来冲击力挤压和穿刺的情况下不容易产生破损；此外良好的闭孔温度也能够保证在温度过高时终止电化学反应，避免温度过高导致爆炸发生。

因此，移动电话用锂电池隔膜的性能直接影响电池的安全性。

2.2 安全阀

移动电话用锂离子电池应装有安全阀，以便电池在不正常状态下快速排出内部聚集的气体，防止爆炸。但是目前部分小企业为了降低成本，缺少安全阀的结构。

安全阀一般是电池顶盖内有一个弹片，如果气压过大，弹片会弹出，使气孔打开，让气体释放；此外另一种是在电池上预先留有泄气口，也同样能起到安全阀的作用。

电池的结构应设计为在内部聚集气体时，泄气阀先于外壳受力，将气体排出。但是部分企业由于结构设计不当，将电池顶盖粘接过紧，弹片不易弹出，导致外壳先于泄气阀受力，外壳在气体压力作用下飞窜，对于使用者同样存在安全风险。

因此，一方面电池中要设置泄气的结构，另一方面好的生产工艺也有利于产品安全性的发挥。

2.3 电解质

众所周知，电池内充有电解质，在电池中正负极之间起到传导电子的作用，是锂离子电池获得高电压、高比能等优点的保证。目前的电解质分为固态电解质和液态电解质。电解质一般由高纯度的有机溶剂、电解质锂盐(六氟磷酸锂，LiPF6)、必要的添加剂等原料，在一定条件下，按一定比例配制而成的。

质量较差的电解质在一定条件下会分解过多水分，在密闭的电池内部，当发生短路时，可以短时间让电池产生高温并让内部的液体以及少量的蒸汽膨胀形成大量气体，来不及从泄气阀中排除从而短时间形成高温高压，导致爆炸。因此，电解质质量同样是影响锂离子电池安全性的重要因素。

通过分析可见，隔膜、安全阀和电解质三部分虽然都直接影响着产品的安全性，但是彼此之间又相互作用，只有各个部件的质量均达到安全要求，才能最大程度地提高产品的安全性。

3 锂离子电池产品安全性风险应对

在锂离子电池产品的风险应对中，原材料的选择、质量以及生产过程中工艺情况是锂离子电池产品风险控制的重点环节。控制好原材料的产品质量可以很大程度上控制产品风险的发生[5]。

通过本文分析，影响安全性因素较大的原材料主要为隔膜、安全阀和电解质。因此我们建议生产企业在移动电话用锂离子电池生产过程中，应重视选取质量较好的隔膜材料、有效的安全阀设置、合格的电解质，并提高生产工艺水平，是减少移动电话用锂离子电池安全风险的重要措施。

4 结语

本文通过确定移动电话用锂离子电池产品安全性影响因子，对于关键的影响因子进行分析。通过对关键因素的研究，提出减少安全风险的应对方法，对于提升产品质量具有积极的作用。

[1]中国国家标准化管理委员会.GB 31241-2014便携式电子产品用锂离子电池和电池组安全要求[S].北京：中国国家标准化管理委员会，2014.

[2]陈基,黄文杰.关于锂电池内部结构的研究[J].科技创新导报,2013(7):18-19.

[3]李星纬,李晓东，张颖彧，等.EVOH磺酸锂电池隔膜的制备及微观形貌[J].哈尔滨理工大学学报,2013,18(5):18-21.

[4]汤雁,苏晓倩,刘浩杰.锂电池隔膜测试方法评述[J].信息记录材料,2014,15(2):43-50.

[5]庞瑶.锂电池隔膜测试方法评述[J].制造业自动化,2015,37(4):48-50.

Analysis and research of safety factors of lithium-ion batteries for mobile phone

PANG Yao,ZHANG Xiao-xiao,YANG Meng-wei
(Beijing Products Quality Supervision and Inspection Institute,Beijing 101300,China)

The structure and working principle of lithium-ion batteries for mobile phone were analyzed,the test was carried out according to the national standard,the security impact factors was obtained,and the key influence factors were researched.Some suggestions were given to cope with the situation,for controlling of lithium-ion battery quality risk points,improving the quality of security risk of system regulation,and further confirming the lithium-ion battery for mobile phone safety risk lay the foundation.

lithium-ion batteries;security;impact factor

TM 912.9

A

1002-087 X(2017)07-0984-03

2016-12-16

2014年国家质量监督检验检疫总局科技计划项目(2014QK009)

庞瑶(1982—)，女，河北省人，工程师，硕士研究生，主要研究方向为电子电气。