三星手机电池爆炸部分坏事在隔离膜上,裸电芯绝缘检测不容忽视

河沟边

锂电池,全称锂离子电池,在放电时候,锂离子从负极到正极,最终嵌入正极;充电时候,锂离子从阴极到阳极,最终嵌在负极石墨上。

锂离子来回摇摆,正负极始终不相接触,通过外电路相连,在锂离子迁移的同时,外电路相应的电子运动,产生电流。这就是电池的基本奥义,可充电放电。如果正负极直接接触,造成短路,电能转换成为热能,就会造成短时间温度飙升失控,进而燃烧爆炸。防止电池内部阴阳极短接保证电池使用安全,这就是电池的第二奥义。电池中,隔离阴阳极的组件称为隔离膜(板),它是一层具有一定强度的多孔结构高分子聚烯烃膜,也就是一层有孔的塑料。

电池在长期使用过程中,因为充放电时正极负极材料的微观结构变化的不可逆,导致整个电芯体系的体积会有所增大,特别是高能量密度和快速充电的电池。高能量密度电芯设计会采用克容量(单位重量可充电量)更高的正负极材料,这些材料的特性之一就是嵌入锂离子时体积增大程度更甚。电芯膨胀会对隔离膜产生一个挤压/拉伸作用,这时候隔离膜有较大的破损风险。这次烧的三星note7电池,在现在主流手机厂商/型号中,能量密度是最高的(见下表,数据来自各官网资料),还都使用了1.2C快充。风险不可谓不高。按照三星之前的分析,SDI电池起火的有一部分原因就坏事在隔离膜上。

主流厂商电池对比

一个是电芯隔离膜Overhang不够,一个是电池在充放电时候,因为异物颗粒的缘故,隔离膜受到挤压,导致隔离膜片破损。电池设计制造从业者应该从一开始就识别出这种安全风险高的缺陷,并加以防控。特别是对于动力电池来说,几十甚至上百倍的单体容量,一旦发生短路,产生的能量失控释放后果是更加严重。

Overhang,是指隔离膜多出正负极极片之外的部分,一般会根据电池极片的宽度加上相应的设计余量来规定。Overhang的设计要考虑电芯制造过程和使用过程中隔离膜的尺寸变化。

比如,现有锂电池体系对于电芯内部的水含量要求比较严格,因为水分会导致电池在充放电时候产生更多的副反应,消耗电解液,损坏正负极活性表面,改变活性物质结构等,使电池的可充放电性能下降,缩短电池使用寿命。

所以,电芯都会有一个高温除水的工序,这时候,聚烯烃隔离膜因为热记忆效应,会产生热收缩,造成尺寸减小,阴阳极接触的风险会增加!另外再说异物颗粒。电芯在整个制造过程中,非常容易带入异物颗粒,比如:隔离膜来料异物,隔离膜处理引入,正极负极颗粒掉落,机器磨损产生金属颗粒,空气尘埃,员工操作引入等。这些颗粒由于导电性能,颗粒大小,颗粒硬度,颗粒表面几何形状等,挤破隔离膜的风险也不尽相同。异物颗粒较多的电池,往往电压降较快,使用寿命较短,随着电池使用时间的增加,这种电芯短路燃烧的风险也更大。如此大的短路风险,是否有方法能够识别呢?

参考沿用电子电器行业的绝缘性测试方法,现在大部分的电池厂都会对电芯进行绝缘性测试。美标/国标针对电器的绝缘性测试是一个击穿测试,在受测元件的两端加上一个高电压,如果绝缘隔离单元存在缺陷或者绝缘性能不够,就会出现漏电流,视为导通,记录击穿电压。一般绝缘线缆的击穿电压要求在2000V以上。电芯进行绝缘性测试时,是进行耐压测试,通常是规定一个电压,加载在电芯两端,如果电芯阻值小于某个规定值,即视为短路。

对于隔离膜存在缺陷或者因为Overhang不足导致阴阳极直接接触的情况,这时候的短路电阻一般都在kohm级别以下。对于存在异物颗粒,特别是导电性较好/危险系数较高的金属颗粒的情况下,其检出电阻一般在快接近Mohm级别的水平。耐压测试一般被认为是无损测试,其测试过程可以等效为一个电容充电过程,在撤去测试电压后,携带电荷会很快散尽。但是在导电颗粒存在的地方,甚至会形成畸变电场,产生尖端放电,将隔离膜击穿,电压越高,这种表现越明显,颗粒检出的概率就越高。

电池安全事大,不可不察,裸电芯绝缘性不可不关注也。

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