聚合物鋰離子電池安全性能分析

蔣繼富

（昆明五威科工貿有限公司，云南 昆明 650106）

0 引 言

隨著智能設備普及，鋰離子電池在人們的日常生活中被廣泛應用。如何降低鋰離子電池成本，提高其安全性的研究一直是科技領域的熱點。由于鋰離子電池的自身能量密度較高，在使用過程中還存在一定缺陷，因此提高其使用安全性是生產企業的根本任務。

1 聚合物鋰離子電池的技術發展

21世紀是低碳經濟的時代，新型能源替代傳統能源的趨勢已不可阻擋，新能源即將迎來發展的黃金期。鋰離子電池技術早在1912年就已經被研究開發，直到1991年被索尼采用才得到普及。鋰離子電池的能量密度非常高，以前傳統的電池技術存在記憶效應，而鋰離子電池完全解決了這一問題，且生產成本相對較低[1]。鋰離子電池是由兩個正負電極、隔膜以及有機電解質等組成，具有較高的化學性質，這種電池的化學成分限制了它的形狀多為矩形。但是鋰離子電池的容量會隨著充電周期減少，甚至在不使用時也會出現放電的情況，另外化學電解液在極端溫度下或不慎被刺破時會變得不穩定，導致熱失控和起火。

隨著我國新能源研發技術手段不斷提高，聚合物鋰離子電池技術相對于普通鋰離子電池技術更加先進。它在20世紀70年代被研發，在原材料、安全性能、電芯電壓、容量以及制造工藝上相比鋰離子電池來說均有不同。聚合物鋰離子電池的原材料為有機電解液和高分子電解質，采用了鋁塑膜作為外殼，如果內部采用有機電解質時，即使液體很熱也不易發生爆炸。電解質可作為固態或者膠態，而不是液體，所以聚合物鋰離子電池可以提供更低矮的外形、更靈活且堅固的設計，同時電解質泄露導致熱失控的概率更低，簡而言之更加安全[2]。聚合物鋰離子電池相比普通的鋰離子電池來說重量輕一些，發生安全隱患時，由于聚合物鋰離子電池的結構是鋁塑軟包裝故不會輕易發生爆炸，并且具有較穩定的放電特征和良好的導電性，支持大放電電流，對目前快充電技術快速發展的時代尤為重要，能夠順應現代人們生活中的電能使用需要。隨著科學的不斷研究發展，聚合物鋰離子電池以獨特安全性能的優勢被人們所使用，逐步取代液體電解質鋰離子電池，在電池的使用領域成為了主流，但是在制造成本上相對較高，生命周期也較短，電池的存儲容量也比同等大小的鋰離子電池少，仍然需要依靠保護電路使電壓運行在安全范圍內。

2 聚合物鋰離子電池的燃燒意外試驗

聚合物鋰離子電池使用的范圍越來越廣泛，雖然其具有較高的安全性和導電性，但是如果使用不當也會出現安全事故。聚合物鋰離子電池的容量密度較高，放電能力強，使用不當則會出現燃燒、爆炸的現象，威脅著人們的人身安全。通過試驗分析聚合物鋰離子電池在什么情況下會產生燃燒或爆炸現象。試驗使用的設備均屬于安全范圍之內，試驗還需準備防火手套。鋰聚合物電池標示電壓為3.6～3.7 V，安全工作電壓為3.3～4.2 V，極限工作電壓為2.75～4.25 V，一般情況下不建議使用此范圍。

2.1 聚合物鋰離子電池的穿刺試驗

聚合物鋰離子電池的內部是一正一負互相交疊而成，因此無論是基礎穿刺還是其他硬物穿刺都會造成內部短路，引起燃燒。試驗通過一把螺絲刀對電池進行穿刺，電池會在瞬間內部短路冒出白煙，由于配方不同，不是每個電池都有可能會燃燒，但是電池高溫膨脹時噴氣出的氣體是含有劇毒的，因此產生燃燒之后會對人體造成一定傷害。使用相關設備打開燃燒過的鋰聚合物電池可以看到，電池內部呈現一片一片的極片堆疊。

2.2 聚合物鋰離子電池短路試驗

選擇一個極片較為平穩的電池將其進行短路，通常在線路不融化的情況下電池會發生膨脹，冒出白煙，如果放電能力很大由很多片電子聚在一起的話，溫度和電壓瞬間產生的電流會使電池燃燒，而進行單片試驗則不太容易發生燃燒現象。

2.3 聚合物鋰離子電池彎折試驗

將電池進行不斷彎折會出現電池冒白煙的現象，極片內部出現短路，因此彎折是很有可能讓電池產生燃燒的。

2.4 聚合物鋰離子電池模擬過度充電試驗

在通常情況下，充電器設定的額定電壓是4.2 V，但是在手機的充電器上可以看到標示的為5 V，因為是通用USB接口，所以USB接口無論是2.0還是3.0都是5 V的電壓。5 V的電壓進入到手機內部之后，手機內部會有一個充電控制器，將電壓穩定在4.2 V左右為電池充電，充滿之后就會自動斷開。假設4.2 V是鋰聚合物電池的極限，試驗手機內部的充電控制器損壞導致5 V的電壓直接輸入到手機內部會出現的情況。準備一塊完全充滿電的聚合物鋰離子電池（4.2 V左右）來進行模擬5 V直充電壓試驗，使用一臺電源供應器直接供應輸出到電池中，將其調到4.2 V，假設手機內部的充電控制器出現故障，將電源供應器的輸出電壓逐漸升高到5 V，在15 min左右電池會逐漸膨脹、電解液泄露，電池完全爆炸燃燒。

經過了聚合物鋰離子電池的穿刺、折彎、短路以及過充試驗發現，過充試驗的燃燒最為嚴重，因此聚合物鋰離子電池在使用時具有一定的危險性。

3 聚合物鋰離子電池的安全性能分析

聚合物鋰離子電池雖然相比過去的鋰離子電池具有更高的優勢，但是如果使用不當，也會存在一定的安全隱患。在上述試驗中，很多情況都會造成電池燃燒爆炸，威脅著人身安全，因此還需要加強對電池在安全性能方面的重視。

聚合物鋰離子電池在安全性能方面的優勢包括以下3點。一是聚合物鋰離子電池通過固態電解質可做到形狀多樣化，而其中的聚合物大多數為軟包電池，極大程度上能夠避免發生爆炸現象，但是如果出現上述4種試驗情況，電池出現燃燒的可能性就會加大。二是聚合物鋰離子電池比能量較高，不僅適用于較大體積的設備，也適用于小型化的設備，能夠滿足眾多產品的使用需求，除極特殊情況外基本不會發生爆炸現象[3]。電池中的電解質能夠避免在電池使用時發生短路及自放電的情況，具備良好的導電作用，順應了現代化能源高效環保的發展態勢。三是聚合物鋰離子電池的容量相對普通鋰離子電池容量會高出很多，且能夠制成超薄型的電池為小型設備提供能源，一定程度上避免了電池漏液現象。

聚合物鋰離子電池在安全性能方面的劣勢包括以下3點。一是聚合物鋰離子電池需要保護控制線路。在上述試驗中可看出，如果發生過充的現象將造成電池損壞爆炸的概率增加，而此現象是目前電池發生損壞的主要原因之一。二是雖然聚合物鋰離子電池多數為軟包電池，但在本質上并沒有改變電解液，一旦某種特殊情況導致其中的液體過熱時就會出現殼體破裂，電池可能會發生燃燒爆炸現象。三是當聚合物鋰離子電池出現短路和彎折等不良現象時，電池會出現瞬間的大電流放電，導致燃燒，嚴重時可出現瞬間爆炸。聚合物鋰離子電池易燃燒的現象是目前最大的安全問題。

4 聚合物鋰離子電池使用注意事項

聚合物鋰離子電池使用中的注意事項如下。

首先，在使用聚合物鋰離子電池時避免電池受潮或者進行隨意拆卸電芯，避免在高溫環境下放置或充電，嚴格按照電池的標準充電方式進行充電[4]。此外避免在無安全保障的條件下進行電池拆卸、隨意彎折或用金屬物質連接電池的正負極，不要將電池進行過充導致電池膨脹，造成燃燒。

其次，必須在電池標示的標準電壓范圍內進行電池的充電或者放電，避免過充和過放。電池的標準電壓是4.2 V，如超過此范圍壽命就會逐漸縮短。對于聚合物鋰離子電池的測試要在完全放電過后進行，如要更換電池，不得將丟棄的電池隨意踩踏敲擊，避免電池內部出現故障冒出白煙或燃燒，釋放有害氣體，污染環境。

再次，相關生產人員要尋找可提升聚合物鋰離子電池性能的途徑，最大程度解決電池存在的漏洞，保障電池安全使用性能。可通過改善電池正負極材料的穩定性，利用相對穩定性最強的材料在根本上提升電池的性能。同時使用較為安全型的電解液提升導電性，解決電解質界面不穩定等問題，利用其他外部手段對電池進行優化管理設計，全面考慮電池的實用性及安全性。

最后，廠家要對電池質量進行嚴格把關檢測，避免質量過低的電池流入市場使用。在生產時，每塊電池的質量會出現不可避免的波動，因此在出廠使用前要對每塊電池進行電性能和安全性能的測試，保障生產的每塊電池質量符合標準要求。

5 結 論

聚合物鋰離子電池電性能和安全性能的好壞對人們日常生活具有直接影響，因此要加強重視，避免在使用過程中出現電池燃燒爆炸等不良現象。文章論述了聚合物鋰離子電池的技術發展，進行了電池燃燒情況的試驗，分析了其電性能和安全性能，提出了使用時的注意事項，但是想要徹底解決電池存在的缺陷還需進一步加強研究。