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

(北京市產品質量監督檢驗院，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

(北京市產品質量監督檢驗院，北京101300)

針對移動電話用鋰離子電池產品結構和工作原理進行分析，并依據國家標準開展試驗驗證，得到安全性影響因子，并針對關鍵性影響因子進行研究，給出應對建議，為控制鋰離子電池產品質量風險點，完善質量安全風險的系統監管，進一步為確定移動電話用鋰離子電池產品安全風險奠定基礎。

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極之間的移動來工作，由于鋰的化學性質非常活潑，導致不合格電池引發的爆炸、著火等傷害案例時有發生[1]。

本文從移動電話用鋰離子電池安全性角度出發，依據國家標準開展試驗，識別不同的安全性影響因子并進行分析，以期實現對鋰離子電池產品質量安全風險的系統監管，為進一步確定移動電話用鋰離子電池產品安全風險奠定基礎。

圖1 鋰離子電池內部結構圖

1 鋰離子電池產品安全性影響因子的確定

1.1 鋰離子電池結構及工作原理

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

由電池的結構可見，電池內部采用螺旋繞制結構[2]，采用隔離材料在正負極間間隔而成，當隔膜材料發生破壞時，正極與負極將直接接觸，會導致短路，產生爆炸、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，由于鋰的化學性質非常活潑，當鋰離子電池被誤用或濫用時，電池內部容易升溫，活化過程中所產生的過量氣體膨脹，內壓加大，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險，只有通過分析其結構特點，發現其產生安全風險的影響因子，才能實現在生產環節重點加以監管與控制，提高產品的安全水平。

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品進行試驗,依據GB 31241-2013《便攜式電子產品用鋰離子電池和電池組》標準進行檢驗，檢驗項目的選擇主要是根據近年來國外通報、召回案例和國內發生的傷害案例，選取了當產品本身存在安全風險時，在消費者誤操作的情況下可能產生風險的項目，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生爆炸；燃燒噴射項目是考核鋰離子電池在置于火焰中產生爆炸時的危害程度。

1.3 檢驗結果的統計與分析

依據GB 31241-2013《便攜式電子產品用鋰離子電池和電池組》標準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不合格，結果統計見圖2。

圖2 檢驗結果統計圖

結合鋰離子電池結構和工作原理，對于檢驗結果進行分析。重物沖擊試驗有4個產品發生著火現象，通過分析，主要原因是正極與負極之間的隔膜層在外部沖擊力的作用下破裂，使得正負極形成短路，發生著火，同時由于正極離子和負極離子大面積聚集在一起，分子的劇烈運動產生了大量的熱量，使得內部迅速充滿了氣體，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，從而出現了著火的現象。

熱濫用試驗有9個產品發生起火燃燒的現象，高溫條件下電池內部產生氣體造成內壓過大，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，隔膜應具有熱穩定性和自動關斷保護性能，當電池內部溫度高到130℃時，質量好的隔膜，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，質量差的隔膜，細孔關閉率低或是根本不會關閉，會讓電池溫度繼續升高，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部的分子劇烈運動，不斷產生氣體，在持續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，因壓力過大發生爆炸。由于電池使用的外殼材質不同，硬度過大的金屬材質部件，在電池爆炸過程中任意飛濺，能量過大會對人身造成傷害，不合格產品測試圖見圖3。

圖3 燃燒噴射試驗不合格產品圖

結合試驗分析，移動電話用鋰離子電池的風險主要是在非正常的使用環境下,可能發生著火、爆炸等危險。而導致著火、爆炸的最主要原因是隔膜受損導致內部短路，或是內部溫度不斷升高，電解質氣化，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量較差和生產工藝水平較低，例如在生產過程中生產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、泄氣閥和電解質又是影響安全性的最主要因素。

2 鋰離子電池產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]。

結合試驗情況，質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反應，避免溫度過高導致爆炸發生。

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裝有安全閥，以便電池在不正常狀態下快速排出內部聚集的氣體，防止爆炸。但是目前部分小企業為了降低成本，缺少安全閥的結構。

安全閥一般是電池頂蓋內有一個彈片，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先留有泄氣口，也同樣能起到安全閥的作用。

電池的結構應設計為在內部聚集氣體時，泄氣閥先于外殼受力，將氣體排出。但是部分企業由于結構設計不當，將電池頂蓋粘接過緊，彈片不易彈出，導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險。

因此，一方面電池中要設置泄氣的結構，另一方面好的生產工藝也有利于產品安全性的發揮。

2.3 電解質

眾所周知，電池內充有電解質，在電池中正負極之間起到傳導電子的作用，是鋰離子電池獲得高電壓、高比能等優點的保證。目前的電解質分為固態電解質和液態電解質。電解質一般由高純度的有機溶劑、電解質鋰鹽(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。

質量較差的電解質在一定條件下會分解過多水分，在密閉的電池內部，當發生短路時，可以短時間讓電池產生高溫并讓內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，導致爆炸。因此，電解質質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、安全閥和電解質三部分雖然都直接影響著產品的安全性，但是彼此之間又相互作用，只有各個部件的質量均達到安全要求，才能最大程度地提高產品的安全性。

3 鋰離子電池產品安全性風險應對

在鋰離子電池產品的風險應對中，原材料的選擇、質量以及生產過程中工藝情況是鋰離子電池產品風險控制的重點環節。控制好原材料的產品質量可以很大程度上控制產品風險的發生[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。因此我們建議生產企業在移動電話用鋰離子電池生產過程中，應重視選取質量較好的隔膜材料、有效的安全閥設置、合格的電解質，并提高生產工藝水平，是減少移動電話用鋰離子電池安全風險的重要措施。

4 結語

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

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

[2]陳基,黃文杰.關于鋰電池內部結構的研究[J].科技創新導報,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].哈爾濱理工大學學報,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年國家質量監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。