鋰離子電池特性

鋰是化學(xué)周期表上直徑最小也最活潑的金屬。體積小所以容量密度高，廣受消費者與工程師歡迎。但是，化學(xué)特性太活潑，則帶來了極高的危險性。鋰金屬暴露在空氣中時，會與氧氣出現(xiàn)激烈的氧化反應(yīng)而爆炸。為了提升安全性及電壓，科學(xué)家們發(fā)明了用石墨及鈷酸鋰等材料來儲存鋰原子。這些材料的分子結(jié)構(gòu)，形成了奈米等級的細(xì)小儲存格子，可用來儲存鋰原子。這樣一來，即使是電池外殼破裂，氧氣進(jìn)入，也會因氧分子太大，進(jìn)不了這些細(xì)小的儲存格，使得鋰原子不會與氧氣接觸而防止爆炸。鋰離子電池的這種原理，使得人們在獲得它高容量密度的同時，也達(dá)到安全的目的。

鋰離子電池充電時，正極的鋰原子會喪失電子，氧化為鋰離子。鋰離子經(jīng)由電解液游到負(fù)極去，進(jìn)入負(fù)極的儲存格，并獲得一個電子，還原為鋰原子。放電時，整個程序倒過來。為了防止電池的正負(fù)極直接碰觸而短路，電池內(nèi)會再加上一種擁有眾多細(xì)孔的隔膜紙，來防止短路。好的隔膜紙還可以在電池溫度過高時，自動關(guān)閉細(xì)孔，讓鋰離子無法穿越，以自廢武功，防止危險發(fā)生。

保護(hù)措施

鋰離子電池芯過充到電壓高于4.2V后，會開始出現(xiàn)副用途。過充電壓愈高，危險性也跟著愈高。鋰電芯電壓高于4.2V后，正極材料內(nèi)剩下的鋰原子數(shù)量不到一半，此時儲存格常會垮掉，讓電池容量出現(xiàn)永久性的下降。假如繼續(xù)充電，由于負(fù)極的儲存格已經(jīng)裝滿了鋰原子，后續(xù)的鋰金屬會堆積于負(fù)極材料表面。這些鋰原子會由負(fù)極表面往鋰離子來的方向長出樹枝狀結(jié)晶。這些鋰金屬結(jié)晶會穿過隔膜紙，使正負(fù)極短路。有時在短路發(fā)生前電池就先爆炸，這是因為在過充過程，電解液等材料會裂解出現(xiàn)氣體，使得電池外殼或壓力閥鼓漲破裂，讓氧氣進(jìn)去與堆積在負(fù)極表面的鋰原子反應(yīng)，進(jìn)而爆炸。因此，鋰離子電池充電時，一定要設(shè)定電壓上限，才可以同時兼顧到電池的壽命、容量、和安全性。最理想的充電電壓上限為4.2V。

鋰電芯放電時也要有電壓下限。當(dāng)電芯電壓低于2.4V時，部分材料會開始被破壞。又由于電池會自放電，放愈久電壓會愈低，因此，放電時最好不要放到2.4V才停止。鋰離子電池從3.0V放電到2.4V這段期間，所釋放的能量只占電池容量的3%左右。因此，3.0V是一個理想的放電截止電壓。

充放電時，除了電壓的限制，電流的限制也有其必要。電流過大時，鋰離子來不及進(jìn)入儲存格，會聚集于材料表面。這些鋰離子獲得電子后，會在材料表面出現(xiàn)鋰原子結(jié)晶，這與過充相同，會造成危險性。萬一電池外殼破裂，就會爆炸。

因此，對鋰離子電池的保護(hù)，至少要包含：充電電壓上限、放電電壓下限、及電流上限三項。一般鋰離子電池組內(nèi)，除了鋰離子電池芯外，都會有一片保護(hù)板，這片保護(hù)板重要就是供應(yīng)這三項保護(hù)。但是，保護(hù)板的這三項保護(hù)顯然是不夠的，全球鋰離子電池爆炸事件還是頻傳。要確保電池系統(tǒng)的安全性，必須對電池爆炸的原因，進(jìn)行更仔細(xì)的分析。