大容量移动电源的安全性影响因素

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[提要] 本文综述影响大容量移动电源安全性的内部因素和外部因素。

关键词：移动电源；锂电池；安全性

中图分类号：TN86 文献标识码：A

收录日期：2014年5月9日

随着移动设备的不断发展，移动电源逐渐成为人们生活中必不可少的设备之一，但是，随着其应用范围的逐渐扩大以及单个电池的容量越来越大，移动电源的安全性问题也越来越被人们所重视。影响移动电源的安全性主要有三方面：1、PCB板设计的合理性；2、移动电源内部电芯的选择及使用规范；3、人为操作的正确性。其中PCB板的设计要根据选择的电芯以及充放电要求进行合理设计，同时还要实现电压、电流的控制以及保护电路等设置。如果实现了PCB板的保护设置一般情况下人为操作不会出现安全事故。所以本文主要针对移动电源电芯的安全性问题进行了综述。市面上比较常见的移动电源的电芯有两种，一种是锂离子电池，一种是聚合物锂离子电池。下面是关于影响两种电芯安全性的简要概述：

一、移动电源使用锂离子电池电芯

（一）影响锂离子电池安全性的内部因素

1、材料。（1）正极材料的热稳定性及其与电解液反应活性。大部分正极材料处于放电状态时具有良好的热稳定性，在充电状态时表现出热不稳定性。在没有与电解液接触时，充电态正极材料放热的原因主要由于晶型的转变，与有机电解液接触后，充电态正极与电解液反应，使电解液被氧化从而放出大量的热。（2）负极材料的安全性。负极材料应该具有良好的化学稳定性，能够与电解质形成SEI膜并且不与电解液等发生反应，否则反应产生的大量热量可能会导致电池爆炸。（3）电解液的组成。电解液在电池内部正、负极之间承担传递电荷的作用，要求导电率高，而且电解液的化学性质必须稳定，使储存期间电解液与活性物质界面之间电化学反应速率最小，这样电池的自放电容量损失就小。目前锂电池电解液中会含一定量的酸性物质HF，正极材料有被溶解侵蚀的可能，正极材料溶解，电池的内阻会增加，热稳定性差容易引发安全隐患。（4）隔膜的选择。当电芯内温度接近聚合物隔膜的熔点时，聚合物基体离子传导聚合物膜熔化，孔洞会因此被阻塞，变成了无孔的绝缘层，电池内阻急速上升，通过电池的电流受到限制；当温度继续升高至超过聚合物膜的熔点时，聚合物膜进一步熔化，导致正负极直接相通，发生内部短路，最终引起电池爆炸。所以，在隔膜的选择上应考虑隔膜的熔点、厚度、孔隙率等问题。

2、电池结构设计的合理性。锂离子电池通常采用在电池上设置安全阀、热敏电阻、设计保护电路等对其进行安全保护。保护电路是多种电子元器件组成的PCB电路，控制电池充放电过程，防止电池过充放，其中的各个元器件都存在失效的可能性，一旦保护电路失效，电芯出现事故的几率就会大大增加。

3、制作工艺。制作工艺上有很多值得注意的细节，这些细节很容易造成安全隐患，譬如：极片毛刺、极粉脱落等会使刺穿隔膜导致内部短路；电芯极耳过长与极片或与外壳接触造成短路；极耳压迫卷芯，导致正负极短路，引起电芯发烫，严重时会导致爆炸；在制作过程中正负极用料量不合适会造成析锂，刺破隔膜容易导致内部短路等。同时，应避免使用二次电池，以免发生短路等安全事故。

（二）影响锂离子电池安全性的外部因素。一是过充电、过放电。过充电或者过放电容易导致锂离子电池中的正负极材料或电解液分解释放出气体和热量，从而导致电池鼓胀，内压急剧升高，严重的话甚至会冒烟起火发生爆炸；二是外部短路。外部短路由于操作不当或者保护线路板失效造成正负极短路，短路时电池放电电流很大，使电芯发热，高温会使电芯内部的隔膜收缩或完全损坏，造成电池内部短路，因而产生爆炸；三是过温。外部温度过高可能会导致金属外壳变形、电芯内部隔膜熔化、正负极材料或电解液分解等，这些情况都容易导致电芯短路。

二、移动电源使用聚合物电池电芯

聚合物电池相比锂电池安全性更好。聚合物的电池的外包装一般是铝塑膜的，在发生短路或者其他异常时，内部就会气胀，冲破热熔边泄气，一般不会发生爆炸事故，但是当电池内部严重短路时会产生起火冒烟现象，所以电池本身并没有爆炸，爆炸是因为电池的燃烧引起了其他部件的爆炸。

（一）影响聚合物电池安全性的内部因素。聚合物锂离子电池内部短路有两种形式：一种是由电芯在层压和软包装过程中，阴阳极的集流体突破电解质隔膜，发生物理接触而形成短路，称为物理短路；另一种是电芯在充放电循环过程中，由于电极活性材料和电解质隔膜材料自身起了化学变化而引起的局部电子导通，称为化学短路。

（二）影响聚合物电池安全性的外部因素。一是过充电、过放电。充电器与移动电源不匹配很容易造成电池过充，聚合物锂离子电池发生的膨胀的可能性就会加大。当电池充放电时，电池内部持续升温，活化过程中所产生的气体膨胀，电池内压加大，压力达到一定程度，如外壳有伤痕，即会破裂，引起起火，甚至爆炸；二是封边保护。封边面的铝塑复合膜外包装材料的夹层是由纯铝构成，具有良好的导电性能，使用时必须采取可靠的绝缘隔离措施，防止其与外部元器件构成短路，很有可能造成电芯内腐蚀、胀气；三是外部短路。电芯的正极（或负极）与电芯的外包装铝塑复合膜材料中的铝层相短路。

随着移动电源的应用越来越广泛，人们对移动电源的容量及安全性的要求也越来越高。如何在保证移动电源容量的情况下又保证移动电源的安全性，也成为设计者们的问题。相信随着材料技术的进步和人们对移动电源设计、制造和使用等方面要求的认识不断加深，未来的大容量移动电源会变得更加安全。

主要参考文献：

[1]石保庆.聚合物锂离子电池内部短路的诊断[J].电池工业，2001.6.