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【锂电池.热点】解决锂电池安全隐患----重质量、抓管理、优化设计

时间 :2016-7-28    来源:驰普科达    

浏览次数 :5014

一、电池安全事故发生现状

笔者从事锂离子二次电池的研发管理工作十多年,经历过大大小小的锂离子二次电池起火等安全事故数不胜数,从最开始在全国顶尖的A公司工作起,历过的电池安全事故有的近乎不可思议,举例如下:


1、2.2Ah的18650电池3C10V过充安全通过,但是在静置10个小时后,突然自燃爆炸,事故发生在晚上,天花板被击穿;


2、电池包事件,当时A公司主导开发26650的动力电池,测试动力电池包的过充测试,可能由于电池一致性问题,3C5V过充出现爆炸事故,测试中心天花顶也遭破坏;


3、在进行高温化成工步时,一整柜电池发生起火爆炸事故,导致杭可的柜子直接报废。原本A公司对起火的重视程度是非常高的;但是锂离子电池本身属于一种高反应活性的化学电源,仅仅靠正负极中间那十几二十微米的隔膜做电子绝缘,处理不当还是会有危险发生。因此,不管是滥用、还是正常使用、还是生产过程,都会有意想不到的安全隐患。


二、原因

究其原因,锂离子电池的起火安全隐患无非来自于以下三个方面:


1、用户不按操作指引使用锂离子电池,导致锂离子电池过充、短路、硬物刺破等,从而发生安全事故;这种事故虽然频发,但却可以避免;


2、电池内部的微短路,这种微短路很难检测,可能引起微短路的原因很多,比如:小小的粉尘、隔膜的缺陷、极片的异物凸起、锂枝晶等;这种原因引起的安全事故防不胜防,早年SONY推出的18650G7就因为内部金属异物引起微短路导致会议现场终端笔记本电脑直接起火,后经EXPOENT公司专业团队分析起火根源是一个小小的金属异物刺破隔膜;为什么连SONY公司会出这样的问题,说明这类缺陷很难检测被发现;


3、电池的一致性差,因为锂离子电池是一个电化学体系,在不同的状态下,比如:温度、压力、充放电电流、电压等,其反应的活性是不一样的;而目前常规的配组方法,最多只能将物理的特性分选出来配成一组,其实这个是有很大隐患的,因为状态一旦改变,组间的锂离子电池其化学特性肯定会发生变化,从而导致电池的不一致现象;尤其是经过循环后,电池的电化学不一致性会越来越大,安全隐患油然而生。业内都还记得2016年开年,特斯拉汽车燃烧在业内掀起悍然大波。其实特斯拉汽车电池组模块无论是从电芯选用还是PACK模块的设计以及BMS的可靠性都是世界一流的。个中原因应该是业内更为关注的。


笔者之前研究过不同倍率放电情况的电池一致性问题,参见图1和图2:

图255C倍率放电对比

从上面两幅图可以看出,锂离子电池在35C倍率放电时,无论是容量保持率、平台都非常一致,但是一旦倍率提升至55C,则电池的差异就变得非常明显,这就是典型的当状态变化时电化学性能呈现不一致。这些还都是fresh电池,循环后不一致性会扩大的更严重。


三、解决问题

熟悉了锂离子电池安全隐患产生的原因,抛开人为隐患我们可以暂且放一放,剩下的两种无可避免的隐患均来自于锂离子电池生产企业内部。而恰恰很多锂离子电池的制造企业都不够重视。在整个锂离子电池制造行业,竞争是非常激烈的,尤其是在国内,大大小小的锂离子电池生产企业不下千家,一味的考虑成本利润,大部分企业都不同程度忽视产品品质。比如业内一家公司,为了和LG等一线品牌竞争18650项目,居然连安全性能好一点、成本高一点的陶瓷涂覆隔膜或者是Clegard隔膜都不用,而直接采用16um的湿法膜用于2.6Ah18650里面,这个是非常危险的,因为在18650中,循环后期的膨胀是非常严重的,这样会导致隔膜挤压非常严重,后期安全隐患是显而易见。


但是市场竞争激烈,行业均是如此;典型的案例就是火极一时的扭扭车电池,其实扭扭车市场是一个很好的市场,早期一台扭扭车的售价基本在4000多元RMB,不到一年的时间,售价降低到几百块一台,其用的锂离子电池组,也从早期的300多元RMB一组,降低到了后面的100元左右;最后自毁长城,被国外限制中国扭扭车出口。笔者在接受央视财经频道采访时就指出:中国锂离子电池的恶性竞争迟早会出安全事故。


为了改善锂离子电池的安全隐患,锂离子电池制造企业一定要从如下几个方面着手解决:


1、不论公司规模大小,从原材料控制,原材料的选择、评测、来料监控、生产过程都要重点监控。早期A公司选用一款S公司的正极材料,出货后遭到了自放电大的投诉,结果分析拆解后发现一个异常大颗粒混在极片中,当然,这个仅仅是个案。这个足以说明锂离子电池安全性能的不可避免性。如何保证原材料的一致性,是每个锂离子电池企业的必修课,每一款原材料都要给出一个标准和对应的检测方法。比如:活性物质的颗粒度分布、金属杂质含量、阴离子杂质含量等等,这些都要去做规范。比如隔膜的孔隙率、孔径分布、均匀度、透气性等等。曾了解到一家公司,在包装车间着火一次,调查原因发现是一款很小的连接板内部的导电铜层(导电铜层也就几个微米)出现了微短路,从而引起了火灾。


2、生产环境控制,锂离子电池最敏感的有两点:粉尘(包含毛刺)和水分;但是目前大部分的企业没有去关注这两点,好像中国企业还没有一家有全程水分控制在露点-42℃以下的生产线。当然,这并不是说非得要这么严格,但至少,我们的企业要去改善环境的问题:粉尘毛刺一定要严格控制、一些敏感工序的水分也要严格控制,否则就会给锂离子电池带来安全隐患。


3、管理细节管控,目前国内的很多企业管理都比较粗犷,之前了解到深圳某公司,在电池堆放时没有做好绝缘和区分措施,导致极耳直接短路引发小火灾。像这种因为电池摆放、存储等引起的小火灾在中国锂电厂是数不胜数。严重的起火事故也是屡见不鲜,通过搜索关键词“电池厂起火”就有很多这样的消息,比较知名的几起:2007年松下电池厂起火、2014年东莞明阳电池厂起火导致了伤亡事故、2016年海四达电池厂起火也导致了伤亡事故。富士康倡导的一句管理名言就是:魔鬼藏于细节中。对于生产锂离子电池的企业,细节管控尤为重要,小到几微米的粉尘控制,大到几顿重的设备管理;下到基层管理,上到领导干部培养;都需要落实到细节中


4、设计避免,目前锂离子电池工艺有很多种,但从内部结构来看流行的是圆柱卷绕、方形卷绕和Z字形叠片三种结构,从原理上来看,方形卷绕的安全性是最高的,而叠片结构是最不安全的。但是,目前还有很多家企业在做叠片电池,尤其是目前随着动力电池为了追求低发热量、高能量密度的出发点来考虑,叠片工艺应用是越来越广泛了。但是Z字形叠片确实存在一定的安全隐患:极耳焊接过程会对极片有拉扯,导致错位(参见图3);在振动过程中,极片可能会错位;在极片模切过程极片边缘损伤严重,容易出现粉尘和毛刺;同时叠片工艺极片边缘是最多的,这样出现毛刺的风险就加大了。


为了解决工艺的缺陷导致的安全隐患,就要从设计方面去避免。业内一家公司是专业从事高倍率叠片电池的厂家,但是早期配合著名的无人机公司时因为叠片设计缺陷导致了多次起火事故,最终被该公司列入了黑名单。后续经过工艺设计的调整,将起火不良率由200多ppm降低至了5ppm。余下两种卷绕工艺同样也要充分考虑到设计对安全带来的隐患。在2012年的CIBF会议上,一位日本专家讲到锂离子电池的安全设计原则,当时听的时候觉得报告内容比较浅显,无非是要设计OVERHAND以及极片贴绝缘胶保护,但是,国内的电池制造企业,能够真正落实这些简单的设计原则的又有多少?


图3 叠片电池焊接后拉扯严重

四、总结


综上,锂离子电池是一个化学反应很高的电化学电源,安全隐患肯定存在,作为锂电池生产企业无法100%避免,但是我们可以通过重视质量、狠抓内部管理、优化设计来大幅改善。尤其是在电动车到来的今天,各方资源涌入锂电领域,锂离子电池应用领域进一步扩大,一旦出现问题可能会波及很多人的财产乃至生命。锂离子电池安全问题是一个永恒的话题,未来的路还很长!


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