锂离子电池特性

锂是化学元素周期表中最小、最活泼的金属。 由于其体积小、容量密度高，广受消费者和工程师的欢迎。 然而，化学性质过于活跃，带来了极高的风险。 当锂金属暴露在空气中时，会与氧气发生剧烈反应并发生爆炸。 为了提高安全性和电压，科学家发明了石墨和钴酸锂等材料来储存锂原子。 这些材料的分子结构形成了纳米级的小型存储网格，可用于存储锂原子。 这样，即使电池壳破裂，氧气进入，氧分子太大，无法进入这些小蓄电池，锂原子就不会与氧气接触，避免爆炸。 锂离子电池的这一原理，使人们在实现高容量密度的同时实现安全。

电气防爆试验

锂离子电池充电时，正极中的锂原子失去电子，被氧化成锂离子。 锂离子通过电解液游到负极，进入负极的蓄电池，得到一个电子，被还原为锂原子。 放电时，整个过程反过来。 为了防止电池的正负极直接接触短路，在电池上加了一层多孔的隔膜纸，防止短路。 好的隔膜纸还能在电池温度过高时自动关闭气孔，让锂离子无法通过，让他们可以用自己的武艺来防范危险。

保障

锂电池电芯过充到4.2V以上的电压后，就会开始出现副作用。 过充电电压越高，风险越高。 当锂电池电芯电压高于4.2V时，正极材料中剩余的锂原子数不到一半。 这时，电芯经常会塌陷，导致电池容量永久性下降。 如果继续充电，由于负极的电芯已经充满了锂原子，后续的锂金属会堆积在负极材料的表面。 这些锂原子会从负极表面向锂离子方向生长枝晶。 这些锂金属晶体会穿过隔离纸，使正负极短路。 有时电池在发生短路之前就爆炸了。 这是因为在过充过程中，电解液等材料会破裂产生气体，导致电池壳或压力阀膨胀破裂，让氧气进入并与积聚在负极表面的锂原子发生反应。 然后爆炸了。 因此，在给锂电池充电时，必须设置电压上限，以便同时兼顾电池寿命、容量和安全性。 最理想的充电电压上限为4.2V。 锂电池放电时也有电压下限。 当电池电压低于2.4V时，一些材料会开始被破坏。 此外，由于电池会自放电，放置时间越长，电压越低。 因此，最好不要在电池放电到2.4V时停止。 锂电池从3.0V放电到2.4V期间，释放的能量仅占电池容量的3%左右。 因此，3.0V 是理想的放电截止电压。

充放电时，除了限压外，还需要限流。 当电流过大时，锂离子来不及进入蓄电池，会在材料表面堆积。 这些锂离子获得电子后，会在材料表面产生锂原子晶体，与过充一样，很危险。 如果电池外壳破裂，它将爆炸。

因此，锂离子电池的保护必须至少包括三项：充电电压上限、放电电压下限、电流上限。 一般来说，在一个锂电池组中，除了锂电芯外，还会有一块保护板。 本保护板主要提供这三种保护。 但是，保护板的这三项保护显然还不够，全球锂电池爆炸事件依然频发。 为了确保电池系统的安全，必须更加仔细地分析电池爆炸的原因。

爆炸类型分析

电芯爆炸的类型可分为外短路、内短路和过充三种。 这里的外部是指电芯的外部，包括电池组内部绝缘设计不良造成的短路。

当电芯外部发生短路，电子元件未能切断电路时，电芯内部会产生高热量，导致部分电解液汽化，使电池壳膨胀。 当电池内部温度高达135摄氏度时，质量好的隔膜纸将孔隙封闭，电化学反应终止或几乎终止，电流急剧下降，温度缓慢下降，从而避免爆炸。 但是，闭孔率太差，或者气孔根本没有闭上。 隔膜纸会导致电池温度不断升高，更多的电解液会蒸发，最后电池外壳会破裂，甚至会导致电池温度升高到材料燃烧爆炸。 内部短路主要是铜箔、铝箔的毛刺刺破隔膜，或锂原子枝晶刺破隔膜造成的。 这些微小的针状金属会导致微短路。 由于针很细，有一定的电阻值，所以电流不一定很大。

铜箔和铝箔毛刺是在生产过程中产生的。 可观察到的现象是电池漏液过快，大部分可以通过电芯厂或组装厂筛选。 而且，由于毛刺细小，有时会被烧毁，导致电池恢复正常。 因此，毛刺微短路引起爆炸的概率不高。 这种说法可以从各电芯厂经常出现充电后不久电压低的坏电池出现，但很少发生爆炸，这是有统计数据支持的。 因此，内部短路引起的爆炸主要是过充引起的。 因为过充后，极片上到处都是针状的锂金属晶体，到处都是穿刺点，到处都是微短路。 因此，电池温度会逐渐升高，最后高温会导致电解液气化。 在这种情况下，无论是温度过高导致材料燃烧爆炸，还是外壳先破裂，导致空气进入氧化锂金属，都是爆炸。

但是，过充引起的内部短路引起的爆炸并不一定发生在充电时。 有可能当电池温度不够高烧毁材料，产生的气体不足以破坏电池外壳时，消费者会停止充电，把手机拿出来。 这时候，无数次微短路产生的热量慢慢升高了电池的温度，过一段时间就会爆炸。 消费者普遍的描述是，当他们拿起手机时，发现手机很烫，扔掉后会爆炸。

基于以上爆炸类型，我们可以重点关注三个方面的防爆：防止过充、防止外部短路、提高电芯安全性。 其中，防过充和防外短路属于电子保护，与电池系统设计和电池组装关系较大。 电芯安全性提升的重点是化学和机械保护，这与电芯制造商的关系更大。