锂电池安全问题及失效分析

曾锦辉

摘要：在日常的使用当中，锂电池比较容易发生火灾爆炸等事故,之所以产生这样的危险事故,其本质原因是尤锂电池的有机材料所致。电池在使用和储存的过程当中均有可能发生起火爆炸的事故，另外还会出现容量衰减、内阻增大、产气、漏液等异常情况,这些情况大大的降低了锂电池的使用性能,同时锂电池的可靠性与安全性也会受到严重的影响,通过对锂电池失效原因开展深入探究对未来锂电池性能的提升和相关技术的发展有着极为重要的意义。

关键词：建筑装饰；新技术；新工艺；施工分析

1锂电池失效产生途径

1.1内部短路

在日常的锂离子电池使用当中，内部短路问题是其安全问题中一项极为重要的威胁,当前在大多数的锂电池安全问题当中,内部短路问题占比极高,内部短路问题产生的原因是由于电池内部正负极发生点短路所致,当锂电池内部短路发生时,电池会产生大量的热,从而诱发安全问题,在这一过程当中电池的电压和温度会发生骤变,在通常情况下锂离子电池在发生内部短路问题时表现的外部特征为着火和爆炸危险,而对于普通的过热危险来说是相对可以接受的一种危险。

1.2电路故障

为了做好锂离子电池的相关保护,在电池的宿主设备或者适配器设置中会有充放电管理电路存在,甚至在部分的设备中还会有放电的负载电路。为了对锂离子电池做好相应的保护,在电池的封装过程当中,厂家还会在相应的设备当中加入保护电路板,但这些电路的存在会使得电池组以及外部极有可能在使用过程当中出现使用故障，常见的故障中包含有过压充电、过度放电、外部短路等情况,这些情况会使得电池发生过热、爆炸等类型的危险事件,在电力的作用下,过压充电和过度充电会产生相关的副作用，在这一副作用产生的同时会伴随有大量的热产生，从而使得电池内部发生热失控。过度放电会使电池的电压出于低于规定电压的情况,在该电压情况下,电解液会进一步分解进而形成大量的气体,从而使电池外壳膨胀,最终导致漏液情况的发生。当外部短路过载情况发生时，则会使得电池内部温度和外部导体发生温度上的剧烈变化，最终诱发热失控情况的发生。

1.3误用、滥用

误用和滥用指的是在使用过程当中，由于用户使用了错误的充电器,或者存在有正负电极反接充电的情况,从而致使电池端发生短路的情况,以上误用和滥用的情况,会使电池产生大量的热,最终致使电池发生热失控情况。

1.4电池外壳破裂

外壳破裂所形成的原因当中按照发生的机理不同可以将其分为两类,一类是内部应力原因,另一种为外部应力原因。内部应力是指过度放电所导致的内外压差所形成的电解液泄露情况。外部应力指的是在运输或使用过程当中由于受到外部应力所导致的外壳破裂情况,外壳破裂会使内部的电解液发生泄漏,从而诱发安全事故。

1.5一致性问题

在电池在使用当中，经常会使用电池串联、并联或者串联并联相结合的方式进行电池组的构建,在电池组构建中,当电池之间的内阻以及容量存在不一致情况时，会使电池组内部某一电池或者并联块在充电或放电的过程当中出现过压充电以及欠压放电的情况，而这两种情况均会诱发相关的安全问题发生。

2锂电池失效分析介绍

锂电池之所以失效是由于其内部发现本质的变化，最终导致其性能出现异常的情况。根据失效的类型不同我们可以将锂电池的失效具体区分为性能失效与安全性失效。性能失效主要表现在锂电池的使用性能发生了变化，从而致使其使用性能无法满足使用要求，常见的性能失效有：电池的容量衰减、循环寿命偏短、一致性较差、常常出现自放电现象等；安全性失效主要表现为不正规的使用从而导致了安全风险的出现，常见的安全性失效有热失控、漏液、短路等。

根据显现形式的不同，我们可以将失效分为显性与隐性两类。显性顾名思义就是直观肉眼可见的失效现象，比如失效出现时可以通过直观肉眼发现电池表面的形态发生巨大变化，常见的显性失效有：燃烧、胀气、漏液等。相反而言，隐性失效则是指的是不能通过直观肉眼观察所得的失效现象，隐形失效情况往往需要通过拆解后并借助分析才能达到失效结论。常见的隐形失效有：正负极短路、隔膜老化、电解液干涸、负极溶解等。

3失效分析难点

首先，锂电池失效通常情况下并不是一个失效原因所致，往往的锂电池失效大多伴随有多种失效原因，且一种失效原因也有可能诱发多种失效情况出现，因此在对应的维度上存在有偏差。其次，锂电池失效的原因还分为不同的类型，不同类型的失效原因自然存在本质上的区别，失效原因既可以是电池组件材料所致，同样也可以是电池设计构造不合理所致。可以说，锂电池失效与失效原因间的关系错综复杂，要想彻底做到失效情况的排查难度也极为高。比如，电池容量出现衰减情况、内阻骤然升高，导致该情况的原因既有可能是正电极材料发生故障，同时也有可能是负电极材料发生故障；电池内部短路问题亦是如此，导致内部短路的原因同样存在多样化的情况，既有可能是隔膜老化，也有可能是刺穿所导致；这样的问题同样存在于电池容量骤降、电池产气。因此在失效情况的原因排查上，通过一种失效原因的排查是远远不够的，只有通过综合各种失效原因分析才能做到失效电池原因的综合评估，最终在问题排查的基础上提出有针对性的措施。

4规范测试分析方法

在以往的研究中发现不同人员开展同一种测试分析，结果很有可能会出现不尽相同的情况。另外不同时间段同一人员做同一种测试，测试结果亦会出现差异的情况。之所以实施失效分析，目的在于通过问题分析进而查找根因所在，并最终提出针对性的意见和建议，因此实验结果的重要性不言而喻。在失效分析的范畴中，除了锂电池失效分析以外，我们常见的失效分析还有机械失效分析、汽车失效分析等领域。为了规范失效测试，确保失效测试结果准确，实施分析流程的标准化在今后的测试研究中极为关键。在标准化的分析技术中，不但包含有材料物化分析技术，同时还包含有材料预处理以及数据分析的标准化等等，以上分析的标准化均会对分析结果产生重要影响。

当前，我国在电池的材料使用、电池型号、制备流程以及方法上尚未进行统一化，这便使得电池的固有性能受到严重影响，这也同时会对锂电池的失效分析构成一定的难度。当前在实行的锂电池测试中，常见的测试对象多为电池单体以及电池包装，而测试的内容多为安全性以及电性能方面。当前我国常见的锂电池测试分析标准中多以材料分析为主，在此类分析中包含有材料性能以及相关含量的测定。此外，针对电池组和电池包的GB/T31467《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统》，以及针对单体电池制定的GB/T18287《移动电话用锂离子蓄电池及蓄电池组总规范》包含了部分安全检测和性能测试项目。

为了实现电池性能以及成本的最优化，当前我国的电池生产企业及材料加工企业在锂离子电池失效分析领域，大多的研究内容为电池制备工艺以及材料的深入研发，因此在试验方法上大多采用的是正向验证方法，在常年的实验工作积累下，企业也积攒了大量的经验，但逆向解析以及问题的精准分析上仍旧有巨大的挖掘潜力。为了追求利益的最大化，电池厂商以及材料加工商能愿意寻求更为高效与准确的锂电池失效分析方法，因此这对未来锂电池测试分析的高效化提出了更为高的标准。

参考文献：

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