龐 瑤，張霄霄，楊夢薇

(北京市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗院，北京101300)

移動電話用鋰離子電池安全性影響因子研究

龐 瑤，張霄霄，楊夢薇

(北京市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗院，北京101300)

針對移動電話用鋰離子電池產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工作原理進行分析，并依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)開展試驗驗證，得到安全性影響因子，并針對關(guān)鍵性影響因子進行研究，給出應(yīng)對建議，為控制鋰離子電池產(chǎn)品質(zhì)量風(fēng)險點，完善質(zhì)量安全風(fēng)險的系統(tǒng)監(jiān)管，進一步為確定移動電話用鋰離子電池產(chǎn)品安全風(fēng)險奠定基礎(chǔ)。

鋰離子電池;安全性;影響因子

移動電話用鋰離子電池近年來使用量不斷增大,作為一種充電鋰離子電池，主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間的移動來工作，由于鋰的化學(xué)性質(zhì)非?；顫?，導(dǎo)致不合格電池引發(fā)的爆炸、著火等傷害案例時有發(fā)生[1]。

本文從移動電話用鋰離子電池安全性角度出發(fā)，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)開展試驗，識別不同的安全性影響因子并進行分析，以期實現(xiàn)對鋰離子電池產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險的系統(tǒng)監(jiān)管，為進一步確定移動電話用鋰離子電池產(chǎn)品安全風(fēng)險奠定基礎(chǔ)。

圖1 鋰離子電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1 鋰離子電池產(chǎn)品安全性影響因子的確定

1.1 鋰離子電池結(jié)構(gòu)及工作原理

移動電話用鋰離子電池主要由正極耳、負(fù)極耳、絕緣片、正極、負(fù)極、隔膜、塑料包裝膜等組成，見圖1。

由電池的結(jié)構(gòu)可見，電池內(nèi)部采用螺旋繞制結(jié)構(gòu)[2]，采用隔離材料在正負(fù)極間間隔而成，當(dāng)隔膜材料發(fā)生破壞時，正極與負(fù)極將直接接觸，會導(dǎo)致短路，產(chǎn)生爆炸、著火等危險。此外，鋰離子電池的充放電過程就是鋰離子的運動過程，由于鋰的化學(xué)性質(zhì)非常活潑，當(dāng)鋰離子電池被誤用或濫用時，電池內(nèi)部容易升溫，活化過程中所產(chǎn)生的過量氣體膨脹，內(nèi)壓加大，也容易燃燒或膨脹爆炸。

因此，移動電話用鋰離子電池存在較高的安全風(fēng)險，只有通過分析其結(jié)構(gòu)特點，發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)生安全風(fēng)險的影響因子，才能實現(xiàn)在生產(chǎn)環(huán)節(jié)重點加以監(jiān)管與控制，提高產(chǎn)品的安全水平。

1.2 檢驗項目的確定

隨機在市場上選購了60批次的移動電話用鋰離子電池產(chǎn)品進行試驗,依據(jù)GB 31241-2013《便攜式電子產(chǎn)品用鋰離子電池和電池組》標(biāo)準(zhǔn)進行檢驗，檢驗項目的選擇主要是根據(jù)近年來國外通報、召回案例和國內(nèi)發(fā)生的傷害案例，選取了當(dāng)產(chǎn)品本身存在安全風(fēng)險時，在消費者誤操作的情況下可能產(chǎn)生風(fēng)險的項目，包括重物沖擊、熱濫用和燃燒噴射。

重物沖擊項目是考核鋰離子電池在碰撞和粗暴裝卸的情形中電池的質(zhì)量狀況；熱濫用項目是考核鋰離子電池遭受極端高溫的情形時是否會發(fā)生爆炸；燃燒噴射項目是考核鋰離子電池在置于火焰中產(chǎn)生爆炸時的危害程度。

1.3 檢驗結(jié)果的統(tǒng)計與分析

依據(jù)GB 31241-2013《便攜式電子產(chǎn)品用鋰離子電池和電池組》標(biāo)準(zhǔn)中的試驗要求進行試驗，重物沖擊、熱濫用和燃燒噴射三個項目均出現(xiàn)不合格，結(jié)果統(tǒng)計見圖2。

圖2 檢驗結(jié)果統(tǒng)計圖

結(jié)合鋰離子電池結(jié)構(gòu)和工作原理，對于檢驗結(jié)果進行分析。重物沖擊試驗有4個產(chǎn)品發(fā)生著火現(xiàn)象，通過分析，主要原因是正極與負(fù)極之間的隔膜層在外部沖擊力的作用下破裂，使得正負(fù)極形成短路，發(fā)生著火，同時由于正極離子和負(fù)極離子大面積聚集在一起，分子的劇烈運動產(chǎn)生了大量的熱量，使得內(nèi)部迅速充滿了氣體，氣體從破損處可以排出，但大量熱量的不斷增加引燃了電池本體中易燃的材料，從而出現(xiàn)了著火的現(xiàn)象。

熱濫用試驗有9個產(chǎn)品發(fā)生起火燃燒的現(xiàn)象，高溫條件下電池內(nèi)部產(chǎn)生氣體造成內(nèi)壓過大，帶有泄氣閥或非密封型的電池能夠使壓力瀉出，防止爆炸；此項試驗另一方面也是考查電池的材料，隔膜應(yīng)具有熱穩(wěn)定性和自動關(guān)斷保護性能，當(dāng)電池內(nèi)部溫度高到130℃時，質(zhì)量好的隔膜，會將細(xì)孔關(guān)閉，電化學(xué)反應(yīng)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(fā)生。但是，質(zhì)量差的隔膜，細(xì)孔關(guān)閉率低或是根本不會關(guān)閉，會讓電池溫度繼續(xù)升高，更多的電解液氣化，最后將電池外殼撐破爆炸，甚至將電池溫度提高到使材料燃燒。

燃燒噴射試驗，當(dāng)用火焰加熱鋰離子電池時，能夠引燃電池外殼材料，由于高溫使得電池內(nèi)部的分子劇烈運動，不斷產(chǎn)生氣體，在持續(xù)燃燒的過程中壓力不斷增大，帶有泄氣閥或非密封型的電池會將過大的壓力釋放，釋放中電池由于氣壓變化發(fā)生竄動；無泄氣閥或密封型的電池泄氣效果差，因壓力過大發(fā)生爆炸。由于電池使用的外殼材質(zhì)不同，硬度過大的金屬材質(zhì)部件，在電池爆炸過程中任意飛濺，能量過大會對人身造成傷害，不合格產(chǎn)品測試圖見圖3。

圖3 燃燒噴射試驗不合格產(chǎn)品圖

結(jié)合試驗分析，移動電話用鋰離子電池的風(fēng)險主要是在非正常的使用環(huán)境下,可能發(fā)生著火、爆炸等危險。而導(dǎo)致著火、爆炸的最主要原因是隔膜受損導(dǎo)致內(nèi)部短路，或是內(nèi)部溫度不斷升高，電解質(zhì)氣化，且無法排出，最后將電池外殼撐破。因此，影響安全性的主要原因是原材料的質(zhì)量較差和生產(chǎn)工藝水平較低，例如在生產(chǎn)過程中生產(chǎn)潔凈度和干燥度不夠，讓太多水分和雜志進入電池。而其中隔膜、泄氣閥和電解質(zhì)又是影響安全性的最主要因素。

2 鋰離子電池產(chǎn)品安全性影響因子的分析

2.1 隔膜

隔膜是鋰離子電池的重要組成部分，在隔離正負(fù)極的同時，要保證離子自由通過并阻止電子流動[3]。

目前，對于隔膜的性能評價主要從物理特性、機械性能和熱性能三大方面進行。其中物理性能主要包括隔膜的厚度、彎曲度、透氣度、孔隙率和曲折度等；機械性能主要包括穿刺強度、拉伸強度與斷裂伸長率和混合穿刺強度等；熱性能主要包括熱收縮率、熔融破斷溫度、閉孔溫度等[4]。

結(jié)合試驗情況，質(zhì)量好的隔膜需要兼顧以上三方面的特性，不僅要具有一定的孔徑和孔隙率，并且在保持良好力學(xué)性能的同時厚度盡可能小，從而能夠更好地起到傳遞能量的作用；同時，當(dāng)有重物施加到電池的力使得寬表面和窄表面同時承受擠壓時，也要求隔膜不但要薄而且要有一定的強度韌性，在外來沖擊力擠壓和穿刺的情況下不容易產(chǎn)生破損；此外良好的閉孔溫度也能夠保證在溫度過高時終止電化學(xué)反應(yīng)，避免溫度過高導(dǎo)致爆炸發(fā)生。

因此，移動電話用鋰電池隔膜的性能直接影響電池的安全性。

2.2 安全閥

移動電話用鋰離子電池應(yīng)裝有安全閥，以便電池在不正常狀態(tài)下快速排出內(nèi)部聚集的氣體，防止爆炸。但是目前部分小企業(yè)為了降低成本，缺少安全閥的結(jié)構(gòu)。

安全閥一般是電池頂蓋內(nèi)有一個彈片，如果氣壓過大，彈片會彈出，使氣孔打開，讓氣體釋放；此外另一種是在電池上預(yù)先留有泄氣口，也同樣能起到安全閥的作用。

電池的結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計為在內(nèi)部聚集氣體時，泄氣閥先于外殼受力，將氣體排出。但是部分企業(yè)由于結(jié)構(gòu)設(shè)計不當(dāng)，將電池頂蓋粘接過緊，彈片不易彈出，導(dǎo)致外殼先于泄氣閥受力，外殼在氣體壓力作用下飛竄，對于使用者同樣存在安全風(fēng)險。

因此，一方面電池中要設(shè)置泄氣的結(jié)構(gòu)，另一方面好的生產(chǎn)工藝也有利于產(chǎn)品安全性的發(fā)揮。

2.3 電解質(zhì)

眾所周知，電池內(nèi)充有電解質(zhì)，在電池中正負(fù)極之間起到傳導(dǎo)電子的作用，是鋰離子電池獲得高電壓、高比能等優(yōu)點的保證。目前的電解質(zhì)分為固態(tài)電解質(zhì)和液態(tài)電解質(zhì)。電解質(zhì)一般由高純度的有機溶劑、電解質(zhì)鋰鹽(六氟磷酸鋰，LiPF6)、必要的添加劑等原料，在一定條件下，按一定比例配制而成的。

質(zhì)量較差的電解質(zhì)在一定條件下會分解過多水分，在密閉的電池內(nèi)部，當(dāng)發(fā)生短路時，可以短時間讓電池產(chǎn)生高溫并讓內(nèi)部的液體以及少量的蒸汽膨脹形成大量氣體，來不及從泄氣閥中排除從而短時間形成高溫高壓，導(dǎo)致爆炸。因此，電解質(zhì)質(zhì)量同樣是影響鋰離子電池安全性的重要因素。

通過分析可見，隔膜、安全閥和電解質(zhì)三部分雖然都直接影響著產(chǎn)品的安全性，但是彼此之間又相互作用，只有各個部件的質(zhì)量均達(dá)到安全要求，才能最大程度地提高產(chǎn)品的安全性。

3 鋰離子電池產(chǎn)品安全性風(fēng)險應(yīng)對

在鋰離子電池產(chǎn)品的風(fēng)險應(yīng)對中，原材料的選擇、質(zhì)量以及生產(chǎn)過程中工藝情況是鋰離子電池產(chǎn)品風(fēng)險控制的重點環(huán)節(jié)?？刂坪迷牧系漠a(chǎn)品質(zhì)量可以很大程度上控制產(chǎn)品風(fēng)險的發(fā)生[5]。

通過本文分析，影響安全性因素較大的原材料主要為隔膜、安全閥和電解質(zhì)。因此我們建議生產(chǎn)企業(yè)在移動電話用鋰離子電池生產(chǎn)過程中，應(yīng)重視選取質(zhì)量較好的隔膜材料、有效的安全閥設(shè)置、合格的電解質(zhì)，并提高生產(chǎn)工藝水平，是減少移動電話用鋰離子電池安全風(fēng)險的重要措施。

4 結(jié)語

本文通過確定移動電話用鋰離子電池產(chǎn)品安全性影響因子，對于關(guān)鍵的影響因子進行分析。通過對關(guān)鍵因素的研究，提出減少安全風(fēng)險的應(yīng)對方法，對于提升產(chǎn)品質(zhì)量具有積極的作用。

[1]中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB 31241-2014便攜式電子產(chǎn)品用鋰離子電池和電池組安全要求[S].北京：中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會，2014.

[2]陳基,黃文杰.關(guān)于鋰電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2013(7):18-19.

[3]李星緯,李曉東，張穎彧，等.EVOH磺酸鋰電池隔膜的制備及微觀形貌[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報,2013,18(5):18-21.

[4]湯雁,蘇曉倩,劉浩杰.鋰電池隔膜測試方法評述[J].信息記錄材料,2014,15(2):43-50.

[5]龐瑤.鋰電池隔膜測試方法評述[J].制造業(yè)自動化,2015,37(4):48-50.

Analysis and research of safety factors of lithium-ion batteries for mobile phone

PANG Yao,ZHANG Xiao-xiao,YANG Meng-wei
(Beijing Products Quality Supervision and Inspection Institute,Beijing 101300,China)

The structure and working principle of lithium-ion batteries for mobile phone were analyzed,the test was carried out according to the national standard,the security impact factors was obtained,and the key influence factors were researched.Some suggestions were given to cope with the situation,for controlling of lithium-ion battery quality risk points,improving the quality of security risk of system regulation,and further confirming the lithium-ion battery for mobile phone safety risk lay the foundation.

lithium-ion batteries;security;impact factor

TM 912.9

A

1002-087 X(2017)07-0984-03

2016-12-16

2014年國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局科技計劃項目(2014QK009)

龐瑤(1982—)，女，河北省人，工程師，碩士研究生，主要研究方向為電子電氣。