試論手機(jī)鋰電池防火技術(shù)

涂敏

摘要：關(guān)于鋰電池的研究大概開始于上世紀(jì)初，由于鋰金屬具有活潑的化學(xué)特性，難以對(duì)其進(jìn)行加工和保存，在經(jīng)歷了接近一個(gè)世紀(jì)之后才出現(xiàn)了首個(gè)商用鋰離子電池。目前無論是手機(jī)還是其他數(shù)碼產(chǎn)品中，鋰離子電池的應(yīng)用較為廣泛。但是由于自身設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和技術(shù)等原因，加之使用不夠規(guī)范等原因，導(dǎo)致手機(jī)鋰電池發(fā)生火災(zāi)的概率較高且危害較大。這就需要基于其火災(zāi)或爆炸機(jī)理，分析引發(fā)手機(jī)鋰電池火災(zāi)的原因，從不同方面研究提升手機(jī)鋰電池防火技術(shù)性能的有效措施，以供參考。

關(guān)鍵詞：手機(jī)鋰電池;傳統(tǒng)電池;火災(zāi)危險(xiǎn)性;防火技術(shù)

在進(jìn)入本世紀(jì)以來，鋰電池在手機(jī)、筆記本電腦和電動(dòng)自動(dòng)車、電動(dòng)汽車等行業(yè)中廣泛應(yīng)用，成為目前新能源行業(yè)中的主力軍，未來也具有廣闊的市場(chǎng)發(fā)展空間。但是由于技術(shù)問題，鋰電池在使用中也偶爾由于過熱或短路而發(fā)生火災(zāi)的問題，這也對(duì)鋰電池的防火技術(shù)提出更高要求。

一、鋰電池與傳統(tǒng)電池的性能對(duì)比分析

傳統(tǒng)的電池類型主要有鉛酸電池和鎳鎘電池等，與傳統(tǒng)電池相比，鋰電池的體積和重量小、電量大等優(yōu)點(diǎn)，這是由于此類電池的儲(chǔ)存能量密度大、使用壽命長(zhǎng)、自放電率較低，在目前的各類便攜式數(shù)碼電子產(chǎn)品和通信產(chǎn)品等廣泛應(yīng)用。但是也表現(xiàn)出具有相對(duì)較高的成本和較高危險(xiǎn)性的特點(diǎn)，需要設(shè)置保護(hù)裝置來保證其安全使用。鋰電池最大的優(yōu)勢(shì)就是不存在記憶效應(yīng)，循環(huán)使用壽命長(zhǎng)，目前逐步取代了傳統(tǒng)電池。

二、鋰電池的工作原理及爆炸機(jī)理

鋰電池的充放電過程就是正極和負(fù)極之間出現(xiàn)鋰離子定向移動(dòng)的過程，比如在充電時(shí)，鋰離子會(huì)從正極向負(fù)極移動(dòng)并嵌入負(fù)極中，在放電時(shí)則向正極移動(dòng)并嵌入正極，如此循環(huán)使用。由于鋰電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的正、負(fù)極材料為層狀結(jié)構(gòu)的材料，鋰離子會(huì)在此結(jié)構(gòu)中嵌入，并可以在充放電時(shí)實(shí)現(xiàn)鋰離子在正、負(fù)極之間的移動(dòng)。如果在充放電過程中，出現(xiàn)了充電電壓超過最大充電限制電壓的情況，正極材料結(jié)構(gòu)中的鋰離子數(shù)量大量向負(fù)極材料移動(dòng)，使得其中的鋰離子數(shù)量低于正常數(shù)值的一半，則就會(huì)引發(fā)正極材料層狀儲(chǔ)存格的垮塌問題。而在負(fù)極材料中也會(huì)出現(xiàn)大量鋰離子的堆積，導(dǎo)致負(fù)極材料表面呈現(xiàn)出枝狀結(jié)晶狀態(tài)，此時(shí)鋰離子結(jié)晶會(huì)將隔膜刺穿而導(dǎo)致內(nèi)部正負(fù)極短路。還會(huì)由于充電電流過大而導(dǎo)致鋰離子還沒有進(jìn)入儲(chǔ)存格就會(huì)在正負(fù)極材料表面堆積，也會(huì)在大量聚集之后形成結(jié)晶而將隔膜刺穿，導(dǎo)致短路問題的發(fā)生。此短路問題會(huì)產(chǎn)生較高的溫度而導(dǎo)致電解液破裂、釋放大量的氣體，增加電池內(nèi)部壓力，出現(xiàn)電池外殼臌脹而破裂的現(xiàn)象，此時(shí)氧氣也會(huì)進(jìn)入其中在電極表面堆積，而且與鋰離子發(fā)生反應(yīng)而引發(fā)爆炸事故。

三、手機(jī)鋰電池的火災(zāi)危險(xiǎn)性分析

1.電池自身缺陷

首先是設(shè)計(jì)缺陷，目前的手機(jī)產(chǎn)業(yè)在飛速發(fā)展，手機(jī)更新?lián)Q代的速度不斷加快，手機(jī)的屏幕尺寸更大且機(jī)身厚度更薄，這使得鋰離子電池的厚度越做越薄，甚至還出現(xiàn)了邊緣曲面設(shè)計(jì)的情況，這可能會(huì)對(duì)電極邊緣抗壓能力造成影響，增加電池出現(xiàn)電極板短路的概率。這是由于手機(jī)本身體積較小，其內(nèi)部有復(fù)雜的PCB電子集成配件，給予電池的空間越來越小。但是鋰電池厚度越薄，對(duì)電池自身的電極材料容納鋰離子的能力、隔膜材料的輕薄度、外殼材料的重量和承壓能力等提出更高的要求。比如某品牌手機(jī)，由于采用了邊緣曲面設(shè)計(jì)而降低了電極邊緣抗壓能力，引發(fā)了電極短路問題，由于其雙面曲屏設(shè)計(jì)，使得邊緣位置堆疊的電極板之間存在較小的間隙，在受到外力時(shí)引發(fā)粘連問題，從而引發(fā)短路問題，導(dǎo)致火災(zāi)的發(fā)生。

其次是材質(zhì)不合格。如果電池生產(chǎn)環(huán)節(jié)偷工減料，使用安全性能不佳的材質(zhì)，可能會(huì)導(dǎo)致正負(fù)電極涂層不均勻或電解液泄漏等問題增加出現(xiàn)短路或過熱問題的概率。這是由于廠家在生產(chǎn)電池時(shí)為了降低成本，提升經(jīng)濟(jì)效益，故意人為采取偷工減料的方式，比如使用提純度較低的正負(fù)極材料，或者精密度較低的絕緣隔膜、具有較差滲透力的再生PE材料等，會(huì)降低電池的安全性能。此外，還會(huì)由于出現(xiàn)正負(fù)電極涂層不夠均勻、有其他導(dǎo)電雜質(zhì)進(jìn)入電解液中等原因而導(dǎo)致電池使用時(shí)出現(xiàn)短路或過熱問題，這就會(huì)引發(fā)電池爆炸或火災(zāi)問題。

再次是在電池以及充電器中如果沒有設(shè)置科學(xué)的保護(hù)回路，沒有在過充或過壓情況下自動(dòng)斷電，或者在加工時(shí)采用不科學(xué)的工藝，都會(huì)導(dǎo)致其安全性能的降低。目前相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)鋰電池的壽命有著嚴(yán)格的規(guī)定，要求其充放電次數(shù)能夠滿足連續(xù)充放電500次以上的要求，如果是聚合物鋰電池，還要求此數(shù)值在800次以上。而相應(yīng)的充電器的壽命也存在較大差異，容易由于二者壽命不匹配而增加潛在的安全隱患。對(duì)于電池設(shè)計(jì)中的充電保護(hù)裝置來說，如果在生產(chǎn)時(shí)采用交叉的元器件，或者并未設(shè)置保護(hù)回路，或者所設(shè)置的保護(hù)回路邏輯混亂，導(dǎo)致在充電時(shí)出現(xiàn)電壓或電流過大的情況時(shí)沒有及時(shí)將充電回路切斷而引發(fā)火災(zāi)或爆炸問題。

最后是在鋰電池加工時(shí)，由于其內(nèi)部為固液混合物結(jié)構(gòu)，容易由于電解液泄漏而導(dǎo)致爆炸問題。以外部原因來說，可能會(huì)由于碰撞、擠壓、針刺等問題而導(dǎo)致電解液泄漏，或者從內(nèi)部原因上分析，容易由于沒有焊接牢固電池外殼或蓋帽，出現(xiàn)電解液過充問題，或者封口操作時(shí)的壓力過大，沒有鉚固解釋正負(fù)極蓋、絕緣密封墊老化等原因而導(dǎo)致加工工藝和質(zhì)量不合格，增加出現(xiàn)電池火災(zāi)或爆炸事故的概率。

2.電池使用不規(guī)范

在手機(jī)使用時(shí)如果在溫度較高或濕度過大的環(huán)境中會(huì)影響電池性能，導(dǎo)致其內(nèi)部發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)而出現(xiàn)短路、破裂等問題。或者在受到外力擠壓、碰撞時(shí)導(dǎo)致電解液外漏。還會(huì)由于充電電壓不穩(wěn)、存在過充或過放問題、快速充電問題，充電時(shí)放電的問題，使用萬能充電器等不規(guī)范行為而引發(fā)電池火災(zāi)問題。尤其目前手機(jī)廠商將快充作為手機(jī)的標(biāo)配，且快充功率和速度不斷提升的發(fā)展趨勢(shì)下，容易由于快充技術(shù)不夠可靠或者所用充電器不符合要求而影響電池的穩(wěn)定性，當(dāng)出現(xiàn)粒子移動(dòng)速度不可控時(shí)則容易引發(fā)過熱和火災(zāi)、爆炸等問題。

四、手機(jī)鋰電池的防火技術(shù)措施

1.制定鋰電池配套產(chǎn)品的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)在2015年出臺(tái)的關(guān)于鋰離子電池和電池組的安全要求中，對(duì)相應(yīng)的試驗(yàn)和技術(shù)指標(biāo)、安全性評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行了明確規(guī)定，用以指導(dǎo)鋰電池的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工作。但是針對(duì)鋰電池的配套電源適配器和數(shù)據(jù)線等產(chǎn)品還沒有頒布相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范，僅僅只有一項(xiàng)行業(yè)測(cè)試方法的標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)于充電器也僅有推薦性標(biāo)準(zhǔn)，因此應(yīng)加快構(gòu)建統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，用以開展行業(yè)監(jiān)管和技術(shù)規(guī)范工作。

2.加快新產(chǎn)品和新技術(shù)研發(fā)

面對(duì)目前手機(jī)電池市場(chǎng)需求更加多元化的現(xiàn)狀，鋰電池生產(chǎn)廠家應(yīng)加強(qiáng)與科研機(jī)構(gòu)的合作，為了提升電池的防火性能，可以將更加高效的阻燃劑加入其中，推廣應(yīng)用石墨烯等材料，研發(fā)更加具有適應(yīng)性和安全性的產(chǎn)品。還可以加大對(duì)太陽能光伏電池的研發(fā)和加快其市場(chǎng)轉(zhuǎn)化速度，從源頭上杜絕化學(xué)電池的安全不確定性問題。

3.加強(qiáng)市場(chǎng)行業(yè)監(jiān)管

針對(duì)鋰電池在生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、使用和回收中常見的火災(zāi)事故，應(yīng)針對(duì)上述環(huán)節(jié)，由相應(yīng)的質(zhì)檢部門、工商行政管理部門和公安機(jī)關(guān)治安管理部門等加大監(jiān)管力度，采取分段管理與協(xié)作的方式對(duì)鋰離子電池市場(chǎng)加以規(guī)范，保證源頭上設(shè)計(jì)的科學(xué)性以及加工工藝的規(guī)范性，保證市場(chǎng)中鋰離子電池生產(chǎn)廠家為正規(guī)廠家，所用材質(zhì)質(zhì)量達(dá)標(biāo)。

4.加大宣傳力度

針對(duì)鋰離子電池的使用環(huán)節(jié)，應(yīng)發(fā)揮主流媒體的作用，加大正確使用鋰離子電池相關(guān)方法的宣傳工作，引導(dǎo)民眾購(gòu)買和使用正規(guī)廠商的鋰離子電池，而且規(guī)范使用，在火災(zāi)初期采取正確的處置方式，降低鋰離子電池火災(zāi)發(fā)生概率及其造成的危害。比如在選購(gòu)環(huán)節(jié)，應(yīng)從正規(guī)途徑采購(gòu)經(jīng)過國(guó)家檢驗(yàn)部門質(zhì)檢合格、具有3C認(rèn)證的正規(guī)電池及配套產(chǎn)品。其次在使用中，應(yīng)嚴(yán)格按照說明書中的規(guī)范要求，檢查好電池及配套裝置的外觀，避免存在臌脹、破損等問題。還要保證電池在正常溫度和良好環(huán)境下使用，防止溫度過高及受潮、受到腐蝕等問題。再次在鋰離子電池充電時(shí)盡量不同時(shí)放電，且由專人看護(hù)，做好對(duì)充電配套設(shè)備溫度的及時(shí)查看，不允許私自對(duì)電池進(jìn)行拆解，防止外力撞擊和擠壓電池等。最后是在遇到鋰離子電池火災(zāi)問題時(shí)，應(yīng)使用滅火毯或棉被進(jìn)行覆蓋滅火，或者使用大量的水、砂土、ABC干粉或二氧化碳滅火器進(jìn)行滅火。同時(shí)要防止火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣危害人體健康，及時(shí)將發(fā)生火災(zāi)的電池移到室外，由專業(yè)消防人員進(jìn)行處理，做好通風(fēng)、防護(hù)等工作的事。

五、結(jié)語

面對(duì)目前逐漸普及的手機(jī)等數(shù)碼產(chǎn)品，以及其中廣泛應(yīng)用的鋰電池，容易由于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和使用不規(guī)范等原因而引發(fā)火災(zāi)，因此應(yīng)采取針對(duì)性的技術(shù)措施，還要加大行業(yè)監(jiān)管力度和宣傳力度，提升手機(jī)電池的防火技術(shù)性能，確保其使用安全箱。

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