February 1, 2009

關於防電池爆炸技術

關於大家的人身安全
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鋰離子電池已經成為可攜式電子產品的首選電池。這種電池容量密度高、價格具競爭力,預計未來幾年仍將是市場主流。但是鋰電池卻一直潛藏著爆炸的危險。由於應用愈來愈廣,爆炸事件也就層出不窮。其實,透過正確的電池系統設計及電芯等級判定,鋰離子電池是可以做到非常安全的。目前防爆線路及防爆電芯技術都已成熟,爆炸事件應該可以愈來愈少。


鋰離子電池特性

鋰是化學週期表上直徑最小也最活潑的金屬。體積小所以容量密度高,廣受消費者與工程師歡迎。但是,化學特性太活潑,則帶來了極高的危險性。鋰金屬暴露在空氣中時,會與氧氣產生激烈的氧化反應而爆炸。為了提升安全性及電壓,科學家們發明了用石墨及鈷酸鋰等材料來儲存鋰原子。這些材料的分子結構,形成了奈米等級的細小儲存格子,可用來儲存鋰原子。這樣一來,即使是電池外殼破裂,氧氣進入,也會因氧分子太大,進不了這些細小的儲存格,使得鋰原子不會與氧氣接觸而避免爆炸。鋰離子電池的這種原理,使得人們在獲得它高容量密度的同時,也達到安全的目的。

鋰離子電池充電時,正極的鋰原子會喪失電子,氧化為鋰離子。鋰離子經由電解液游到負極去,進入負極的儲存格,並獲得一個電子,還原為鋰原子。放電時,整個程序倒過來。為了防止電池的正負極直接碰觸而短路,電池內會再加上一種擁有眾多細孔的隔膜紙,來防止短路。好的隔膜紙還可以在電池溫度過高時,自動關閉細孔,讓鋰離子無法穿越,以自廢武功,防止危險發生。

保護措施

鋰電池芯過充到電壓高於4.2V後,會開始產生副作用。過充電壓愈高,危險性也跟著愈高。鋰電芯電壓高於4.2V後,正極材料內剩下的鋰原子數量不到一半,此時儲存格常會垮掉,讓電池容量產生永久性的下降。如果繼續充電,由於負極的儲存格已經裝滿了鋰原子,後續的鋰金屬會堆積於負極材料表面。這些鋰原子會由負極表面往鋰離子來的方向長出樹枝狀結晶。這些鋰金屬結晶會穿過隔膜

紙,使正負極短路。有時在短路發生前電池就先爆炸,這是因為在過充過程,電解液等材料會裂解產生氣體,使得電池外殼或壓力閥鼓漲破裂,讓氧氣進去與堆積在負極表面的鋰原子反應,進而爆炸。因此,鋰電池充電時,一定要設定電壓上限,才可以同時兼顧到電池的壽命、容量、和安全性。最理想的充電電壓上限為4.2V。

鋰電芯放電時也要有電壓下限。當電芯電壓低於2.4V時,部分材料會開始被破壞。又由於電池會自放電,放愈久電壓會愈低,因此,放電時最好不要放到2.4V才停止。鋰電池從3.0V放電到 2.4V這段期間,所釋放的能量只佔電池容量的3%左右。因此,3.0V是一個理想的放電截止電壓。

充放電時,除了電壓的限制,電流的限制也有其必要。電流過大時,鋰離子來不及進入儲存格,會聚集於材料表面。這些鋰離子獲得電子後,會在材料表面產生鋰原子結晶,這與過充一樣,會造成危險性。萬一電池外殼破裂,就會爆炸。

因此,對鋰離子電池的保護,至少要包含:充電電壓上限、放電電壓下限、及電流上限三項。一般鋰電池組內,除了鋰電池芯外,都會有一片保護板,這片保護板主要就是提供這三項保護。但是,保護板的這三項保護顯然是不夠的,全球鋰電池爆炸事件還是頻傳。要確保電池系統的安全性,必須對電池爆炸的原因,進行更仔細的分析。

爆炸類型分析
電池芯爆炸的類形可歸納為外部短路、內部短路、及過充三種。此處的外部係指電芯的外部,包含了電池組內部絕緣設計不良等所引起的短路。

當電芯外部發生短路,電子組件又未能切斷回路時,電芯內部會產生高熱,造成部分電解液汽化,將電池外殼撐大。當電池內部溫度高到135攝氏度時,質量好的隔膜紙,會將細孔關閉,電化學反應終止或近乎終止,電流驟降,溫度也慢慢下降,進而避免了爆炸發生。但是,細孔關閉率太差,或是細孔根本不會關閉的隔膜紙,會讓電池溫度繼續升高,更多的電解液汽化,最後將電池外殼撐破,甚至將電池溫度提高到使材料燃燒並爆炸。

內部短路主要是因為銅箔與鋁箔的毛刺穿破隔膜,或是鋰原子的樹枝狀結晶穿破膈膜所造成。這些細小的針狀金屬,會造成微短路。由於,針很細有一定的電阻值,因此,電流不見得會很大。銅鋁箔毛刺系在生產過程造成,可觀察到的現象是電池漏電太快,多數可被電芯廠或是組裝廠篩檢出來。而且,由於毛刺細小,有時會被燒斷,使得電池又恢復正常。因此,因毛刺微短路引發爆炸的機率不高。

這樣的說法,可以從各電芯廠內部都常有充電後不久,電壓就偏低的不良電池,但是卻鮮少發生爆炸事件,得到統計上的支持。因此,內部短路引發的爆炸,主要還是因為過充造成的。因為,過充後極片上到處都是針狀鋰金屬結晶,刺穿點到處都是,到處都在發生微短路。因此,電池溫度會逐漸升高,最後高溫將電解液氣體。這種情形,不論是溫度過高使材料燃燒爆炸,還是外殼先被撐破,使空氣進去與鋰金屬發生激烈氧化,都是爆炸收場。

但是過充引發內部短路造成的這種爆炸,並不一定發生在充電的當時。有可能電池溫度還未高到讓材料燃燒、產生的氣體也未足以撐破電池外殼時,消費者就終止充電,帶手機出門。這時眾多的微短路所產生的熱,慢慢的將電池溫度提高,經過一段時間後,才發生爆炸。消費者共同的描述都是拿起手機時發現手機很燙,扔掉後就爆炸。

綜合以上爆炸的類型,我們可以將防爆重點放在過充的防止、外部短路的防止、及提升電芯安

全性三方面。其中過充防止及外部短路防止屬於電子防護,與電池系統設計及電池組裝有較大關係。電芯安全性提升之重點為化學與機械防護,與電池芯製造廠有較大關係。

設計規範

由於全球手機有數億只,要達到安全,安全防護的失敗率必須低於一億分之一。由於,電路板的故障率一般都遠高於一億分之一。因此,電池系統設計時,必須有兩道以上的安全防線。常見的錯誤設計是用充電器(adaptor)直接去充電池組。這樣將過充的防護重任,完全交給電池組上的保護板。雖然保護板的故障率不高,但是,即使故障率低到百萬分之一,機率上全球還是天天都會有爆炸事故發生。

電池系統如能對過充、過放、過電流都分別提供兩道安全防護,每道防護的失敗率如果是萬分之一,兩道防護就可以將失敗率降到一億分之一。常見的電池充電系統方塊圖如下,包含充電器及電池組兩大部分。充電器又包含適配器(Adaptor)及充電控制器兩部分。適配器將交流電轉為直流電,充電控制器則限制直流電的最大電流及最高電壓。電池組包含保護板及電池芯兩大部分,以及一個PTC來限定最大電流。

文字方塊: 適配器交流變直流文字方塊: 充電控制器限流限壓文字方塊: 充電器文字方塊: 保護板過充、過放過流等防護文字方塊: 電池組文字方塊: 限流片文字方塊: 電池芯
以手機電池系統為例,過充防護系利用充電器輸出電壓設定在4.2V左右,來達到第一層防護,這樣就算電池組上的保護板失效,電池也不會被過充而發生危險。第二道防護是保護板上的過充防護功能,一般設定為4.3V。這樣,保護板平常不必負責切斷充電電流,只有當充電器電壓異常偏高時,才需要動作。過電流防護則是由保護板及限流片來負責,這也是兩道防護,防止過電流及外部短路。由於過放電只會發生在電子產品被使用的過程。因此,一般設計是由該電子產品的線路板來提供第一到防護,電池組上的保護板則提供第二道防護。當電子產品偵測到供電電壓低於3.0V時,應該自動關機。如果該產品設計時未設計這項功能,則保護板會在電壓低到2.4V時,關閉放電回路。

總之,電池系統設計時,必須對過充、過放、與過電流分別提供兩道電子防護。其中保護板是第二道防護。把保護板拿掉後充電,如果電池會爆炸就代表設計不良。

上述方法雖然提供了兩道防護,但是由於消費者在充電器壞掉後,常會買非原廠充電器來充電,而充電器業者,基於成本考慮,常將充電控制器拿掉,來降低成本。結果,劣幣驅逐良幣,市面上出現了許多劣質充電器。這使得過充防護失去了第一道也是最重要的一道防線。而過充又是造成電池爆炸的最重要因素,因此,劣質充電器可以稱得上是電池爆炸事件的元兇。

當然,並非所有的電池系統都採用如上圖的方案。在有些情況下,電池組內也會有充電控制器的設計。例如:許多筆記型計算機的外加電池棒,就有充電控制器。這是因為筆記型計算機一般都將充電控制器做在計算機內,只給消費者一個適配器。因此,筆記型計算機的外加電池組,就必須有一個充電控制器,才能確保外加電池組在使用適配器充電時的安全。另外,使用汽車點煙器充電的產品,有時也會將充電控制器做在電池組內。

最後的防線

如果電子的防護措施都失敗了,最後的一道防線,就要由電芯來提供了。電芯的安全層級,可依據電芯能否通過外部短路和過充來大略區分等級。由於,電池爆炸前,如果內部有鋰原子堆積在材料表面,爆炸威力會更大。而且,過充的防護常因消費者使用劣質充電器而只剩一道防線,因此,電芯抗過充能力比抗外部短路的能力更重要。如果,外部短路不會爆炸的電芯,可以得到一顆星。而過充不會爆炸的電芯,可以得到兩顆星。那麼電芯的安全等級,就有零顆星到三顆星,四種等級。日本製和台灣製的電池芯,通常都可達到三顆星的最高等級,中國製的電芯就參差不齊。下表為市場上常見鋰電芯的安全等級。

安全等級
過充不爆炸
短路不爆炸
代 表 廠 商
★★★
O
O
日本廠、能元、宜電等
★★
O
X


X
O
大陸一、二級廠

X
X
大陸二、三級廠

電芯抗外部短路的方法,通常包括使用高質量的隔膜紙和採用壓力閥兩種措施。其中高質量的隔膜效果最好,外部短路時超過百分之九十九的電池不會發生爆炸。壓力閥則有副作用。例如電池過充時,壓力閥如果太早破裂,會讓氧氣進入導致爆炸。另外,中國製壓力閥的精密度非常不可*。中國鋁殼廠生產的鋁殼,不到一成的壓力閥會在業者宣稱的壓力範圍內起作用,可*度只有百分之一、二。因此,對組裝廠而言,要確保電池不會發生短路爆炸,最好的方法還是直接作實驗。只要將電池充飽電,再放入防爆箱中短路即可判定抗短路的能力。

電池芯抗過充的方法則非常複雜,必須考慮化學配方、外殼機械特性、及配套的電子組件。一般系利用電池過充到某個電壓時,讓添加物開始發生反應,一方面增加內阻,一方面將電能轉為熱能,以達到1C/12V過充6小時,不會爆炸的安全水平。對於串並用的電池,有時還會再加上配套的電子組件或精密的壓力閥。

目前中國製電芯約近半數可以通過短路測試,但是絕大多數都無法通過過充測試。又由於電子防護方面,最容易崩潰的防線是過充防護,而過充所衍生的爆炸也最嚴重。因此,電池芯的抗過充能力,是相關業者在選擇電池芯時,重點中的重點。對單顆使用的電池而言,至少要能達到1C/6V過充6小時不爆炸。對串聯使用的電池,至少要能通過1C/12V過充6小時。這樣才能在消費者使用劣質充電器的情形下,確保電池組的安全。

責任歸屬

電池組發生爆炸事件時,分析爆炸原因,是判定責任歸屬的第一步。如果是短路爆炸且短路的部位在電池組的外部,這必然是兩道電子防護都失效且電芯也未能通過短路的考驗。這時保護板廠商、電芯廠商、PTC廠商、與組裝廠商都有責任。但是這種情況發生的機率不高。如果短路的部位在電池組的內部,最可能的導因是絕緣失效且電芯未能通過短路的考驗。因此,組裝廠與電芯廠都有責任。如果是過充爆炸,通常導因於充電器電壓過高、保護板因溫度過高而暫時性或永久性的失效、且電芯未能防過充。由於所有電芯廠都只保證電芯短路時不爆炸,

而不保證過充時不爆炸。組裝廠也都會於產品上標示,『只能用原廠充電器』。因此,充電器廠與通信行的責任最大,保護板廠商與組裝廠次之。有非常多的充電器,雖然標示的輸出電壓在4.2V左右,實際電壓則超過5V。這種情況下,責任顯然在充電器廠與通信行。如果充電器廠商如實的標示高於5V的電壓,結果通信行還把它賣給消費者當手機充電器,那麼通信行就要負最大的責任了。

鑑定電池組爆炸原因的專業度非常高,而且費用不訾。由於組裝廠在整個供應鏈裡,扮演者將電芯變安全的角色。因此,在責任不清時,常需先負擔該費用。因此,選用安全性高的電芯,尤其是抗過充的電芯,對組裝廠至為重要。

消費者注意事項

鋰離子電池系統如果設計得當,對於過充、過放、過電流都有兩道電子防護,而且電芯也通得過短路測試與過充測試。那麼,安全性應該無虞,消費者可以安心的使用。

買充電器時,最好買原廠的充電器。買非原廠充電器,不要輕信廠商標示的輸出電壓值。應請通信行用電表量一下充電座的輸出電壓值,電壓低於4.3V才可使用。必須使用電壓高於4.3V的充電器時,最好是插在手機尾部充電。切勿將非原廠電池組放在非原廠的充電座上充電,多數的爆炸都是這樣發生的.

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