聚合物锂离子电池安全性能分析

2020-12-20蒋继富

通信电源技术 2020年24期

关键词：电解质锂离子短路

蒋继富

（昆明五威科工贸有限公司，云南昆明 650106）

0 引言

随着智能设备普及，锂离子电池在人们的日常生活中被广泛应用。如何降低锂离子电池成本，提高其安全性的研究一直是科技领域的热点。由于锂离子电池的自身能量密度较高，在使用过程中还存在一定缺陷，因此提高其使用安全性是生产企业的根本任务。

1 聚合物锂离子电池的技术发展

21世纪是低碳经济的时代，新型能源替代传统能源的趋势已不可阻挡，新能源即将迎来发展的黄金期。锂离子电池技术早在1912年就已经被研究开发，直到1991年被索尼采用才得到普及。锂离子电池的能量密度非常高，以前传统的电池技术存在记忆效应，而锂离子电池完全解决了这一问题，且生产成本相对较低[1]。锂离子电池是由两个正负电极、隔膜以及有机电解质等组成，具有较高的化学性质，这种电池的化学成分限制了它的形状多为矩形。但是锂离子电池的容量会随着充电周期减少，甚至在不使用时也会出现放电的情况，另外化学电解液在极端温度下或不慎被刺破时会变得不稳定，导致热失控和起火。

随着我国新能源研发技术手段不断提高，聚合物锂离子电池技术相对于普通锂离子电池技术更加先进。它在20世纪70年代被研发，在原材料、安全性能、电芯电压、容量以及制造工艺上相比锂离子电池来说均有不同。聚合物锂离子电池的原材料为有机电解液和高分子电解质，采用了铝塑膜作为外壳，如果内部采用有机电解质时，即使液体很热也不易发生爆炸。电解质可作为固态或者胶态，而不是液体，所以聚合物锂离子电池可以提供更低矮的外形、更灵活且坚固的设计，同时电解质泄露导致热失控的概率更低，简而言之更加安全[2]。聚合物锂离子电池相比普通的锂离子电池来说重量轻一些，发生安全隐患时，由于聚合物锂离子电池的结构是铝塑软包装故不会轻易发生爆炸，并且具有较稳定的放电特征和良好的导电性，支持大放电电流，对目前快充电技术快速发展的时代尤为重要，能够顺应现代人们生活中的电能使用需要。随着科学的不断研究发展，聚合物锂离子电池以独特安全性能的优势被人们所使用，逐步取代液体电解质锂离子电池，在电池的使用领域成为了主流，但是在制造成本上相对较高，生命周期也较短，电池的存储容量也比同等大小的锂离子电池少，仍然需要依靠保护电路使电压运行在安全范围内。

2 聚合物锂离子电池的燃烧意外试验

聚合物锂离子电池使用的范围越来越广泛，虽然其具有较高的安全性和导电性，但是如果使用不当也会出现安全事故。聚合物锂离子电池的容量密度较高，放电能力强，使用不当则会出现燃烧、爆炸的现象，威胁着人们的人身安全。通过试验分析聚合物锂离子电池在什么情况下会产生燃烧或爆炸现象。试验使用的设备均属于安全范围之内，试验还需准备防火手套。锂聚合物电池标示电压为3.6～3.7 V，安全工作电压为3.3～4.2 V，极限工作电压为2.75～4.25 V，一般情况下不建议使用此范围。

2.1 聚合物锂离子电池的穿刺试验

聚合物锂离子电池的内部是一正一负互相交叠而成，因此无论是基础穿刺还是其他硬物穿刺都会造成内部短路，引起燃烧。试验通过一把螺丝刀对电池进行穿刺，电池会在瞬间内部短路冒出白烟，由于配方不同，不是每个电池都有可能会燃烧，但是电池高温膨胀时喷气出的气体是含有剧毒的，因此产生燃烧之后会对人体造成一定伤害。使用相关设备打开燃烧过的锂聚合物电池可以看到，电池内部呈现一片一片的极片堆叠。

2.2 聚合物锂离子电池短路试验

选择一个极片较为平稳的电池将其进行短路，通常在线路不融化的情况下电池会发生膨胀，冒出白烟，如果放电能力很大由很多片电子聚在一起的话，温度和电压瞬间产生的电流会使电池燃烧，而进行单片试验则不太容易发生燃烧现象。

2.3 聚合物锂离子电池弯折试验

将电池进行不断弯折会出现电池冒白烟的现象，极片内部出现短路，因此弯折是很有可能让电池产生燃烧的。

2.4 聚合物锂离子电池模拟过度充电试验

在通常情况下，充电器设定的额定电压是4.2 V，但是在手机的充电器上可以看到标示的为5 V，因为是通用USB接口，所以USB接口无论是2.0还是3.0都是5 V的电压。5 V的电压进入到手机内部之后，手机内部会有一个充电控制器，将电压稳定在4.2 V左右为电池充电，充满之后就会自动断开。假设4.2 V是锂聚合物电池的极限，试验手机内部的充电控制器损坏导致5 V的电压直接输入到手机内部会出现的情况。准备一块完全充满电的聚合物锂离子电池（4.2 V左右）来进行模拟5 V直充电压试验，使用一台电源供应器直接供应输出到电池中，将其调到4.2 V，假设手机内部的充电控制器出现故障，将电源供应器的输出电压逐渐升高到5 V，在15 min左右电池会逐渐膨胀、电解液泄露，电池完全爆炸燃烧。

经过了聚合物锂离子电池的穿刺、折弯、短路以及过充试验发现，过充试验的燃烧最为严重，因此聚合物锂离子电池在使用时具有一定的危险性。

3 聚合物锂离子电池的安全性能分析

聚合物锂离子电池虽然相比过去的锂离子电池具有更高的优势，但是如果使用不当，也会存在一定的安全隐患。在上述试验中，很多情况都会造成电池燃烧爆炸，威胁着人身安全，因此还需要加强对电池在安全性能方面的重视。

聚合物锂离子电池在安全性能方面的优势包括以下3点。一是聚合物锂离子电池通过固态电解质可做到形状多样化，而其中的聚合物大多数为软包电池，极大程度上能够避免发生爆炸现象，但是如果出现上述4种试验情况，电池出现燃烧的可能性就会加大。二是聚合物锂离子电池比能量较高，不仅适用于较大体积的设备，也适用于小型化的设备，能够满足众多产品的使用需求，除极特殊情况外基本不会发生爆炸现象[3]。电池中的电解质能够避免在电池使用时发生短路及自放电的情况，具备良好的导电作用，顺应了现代化能源高效环保的发展态势。三是聚合物锂离子电池的容量相对普通锂离子电池容量会高出很多，且能够制成超薄型的电池为小型设备提供能源，一定程度上避免了电池漏液现象。

聚合物锂离子电池在安全性能方面的劣势包括以下3点。一是聚合物锂离子电池需要保护控制线路。在上述试验中可看出，如果发生过充的现象将造成电池损坏爆炸的概率增加，而此现象是目前电池发生损坏的主要原因之一。二是虽然聚合物锂离子电池多数为软包电池，但在本质上并没有改变电解液，一旦某种特殊情况导致其中的液体过热时就会出现壳体破裂，电池可能会发生燃烧爆炸现象。三是当聚合物锂离子电池出现短路和弯折等不良现象时，电池会出现瞬间的大电流放电，导致燃烧，严重时可出现瞬间爆炸。聚合物锂离子电池易燃烧的现象是目前最大的安全问题。

4 聚合物锂离子电池使用注意事项

聚合物锂离子电池使用中的注意事项如下。

首先，在使用聚合物锂离子电池时避免电池受潮或者进行随意拆卸电芯，避免在高温环境下放置或充电，严格按照电池的标准充电方式进行充电[4]。此外避免在无安全保障的条件下进行电池拆卸、随意弯折或用金属物质连接电池的正负极，不要将电池进行过充导致电池膨胀，造成燃烧。

其次，必须在电池标示的标准电压范围内进行电池的充电或者放电，避免过充和过放。电池的标准电压是4.2 V，如超过此范围寿命就会逐渐缩短。对于聚合物锂离子电池的测试要在完全放电过后进行，如要更换电池，不得将丢弃的电池随意踩踏敲击，避免电池内部出现故障冒出白烟或燃烧，释放有害气体，污染环境。

再次，相关生产人员要寻找可提升聚合物锂离子电池性能的途径，最大程度解决电池存在的漏洞，保障电池安全使用性能。可通过改善电池正负极材料的稳定性，利用相对稳定性最强的材料在根本上提升电池的性能。同时使用较为安全型的电解液提升导电性，解决电解质界面不稳定等问题，利用其他外部手段对电池进行优化管理设计，全面考虑电池的实用性及安全性。

最后，厂家要对电池质量进行严格把关检测，避免质量过低的电池流入市场使用。在生产时，每块电池的质量会出现不可避免的波动，因此在出厂使用前要对每块电池进行电性能和安全性能的测试，保障生产的每块电池质量符合标准要求。