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锂离子电池矿灯的稳定性和安全性探讨
节选自网易论坛

最近,锂离子电池屡次冒出发生爆炸,伤害消费者之类的新闻。鉴于锂离子电池的使用安全问题,戴尔、苹果等全球著名的电脑公司相继宣布召回相应产品,引起公众对锂离子电池安全性的广泛关注。目前,我国至少有300万盏锂离子电池矿灯在具有危险瓦斯气体环境的煤矿使用。据了解,已经在某些矿务局发生了多起不同程度的电池爆炸现象。这是一个十分危险的信号,一旦这种爆炸发生在矿井瓦斯浓度超标时刻,将引起不可设想的后果,直接威胁煤矿的安全生产,威胁矿工的生命,给国家带来重大经济和财产损失,有必要引起各级领导的高度关注。
一、锂离子电池爆炸的理论分析
锂离子电池实际上是一种锂离子浓差电池,正负极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成。充电时,锂离子从正极脱嵌经过电解质嵌入负极,负极处于富锂态,正极处于贫锂态,同时电子的补偿电荷从外电路供给到碳负极,保证负极的电荷平衡,放电时则相反。在正常充放电情况下,锂离子在层状结构的负极碳材料和层状结构的正极氧化物层间嵌入和脱出,一般不会引起层面间距变化,不破坏晶体结构。在非正常充放电(过充电、过放电)情况下会由于层间距变化引起电池内部晶枝增长,晶枝增长到一定程度就会刺穿正负之间的隔膜形成内部短路,内部短路产生的强大电流产生的巨大热量会引燃电池内部的有机电解质和内部产生的氧气,从而形成爆炸现象。
目前,矿灯使用的锂离子普遍是以钴酸锂或锰酸锂做正极材料,这种材料的化学稳定性极差,在不同的充放电环境下有不同的分子结构,极有可能形成不可控制的晶枝增长造成内部短路。在这两种材料中尤以钴酸锂的化学稳定性极差,极不安全。
另外,这种金属氧化物在常态下难以存在,在电池内部环境中以金属离子和氧离子的形式存在,电池使用的电解质都是易燃烧的有机化合物,为了满足某些性能,各个电池生产企业选用的电解质和添加剂也各不相同(都是相互保密的配方),因此,一旦发生内部短路,将引爆内部氧气 ,引燃有机电解质,造成危害。据实验,这些电池在发生爆炸时普遍有大量的明火产生,具有相当大的威力和破坏性。
二、我国目前锂离子电池生产现状
目前,我国锂离子电池正处于发展阶段,离成熟阶段还有一段距离,在标准体系建立,检测方法,质量一致性控制方面同发达国家相比还有相当大差距。生产企业对正负原材料、隔膜、电解质性能的了解还相当欠缺,有相当一部分主要原材料还依赖于进口。特别是在安全性能检测方法上存在相当大差距,有的企业缺乏必要的检测条件。其产品的质量水平、安全性能更是良莠不齐。目前,我国也仅仅是在小容量移动通讯用锂离子电池方面(1000MAH以下)建立了相应的国家标准(某些安全性能指标,比如热稳定性指标与国外还有一定差距),而矿灯使用的大容量锂离子电池(容量普遍在4500MAH以上)还没有相应的国家标准,也没有科学的、统一的安全性能检测试验方法,更没有规范的安全性能控制、评价、认证体系。国内的检测机构和生产企业都是参照移动通讯用锂离子电池标准进行此类电池进行安全性能评价。可以说,这种评价方法是不科学的,也是错误的和有危害的。现在我国电动车用的锂离子电池由于安全性能没有彻底解决的原因尚未大规模工业化生产和实际应用,更不用说应用于有着爆炸性气体环境的煤矿了。事实上,在电池生产水平极高的欧美国家也没有允许把大容量锂离子应用于矿灯的先例。
三、目前的锂离子电池矿灯
2004年以来,随着GB7957-2003《矿灯安全性能通用要求》的实施,锂离子电池矿灯开始进入煤矿,保守估计有300万盏。这些矿灯电池从材料上说普遍采用钴酸锂、锰酸锂材料。从容量上说绝大部分在4500MAH以上,从结构上说,有百分之三十采用2—3只18650园柱型钢壳电池并联,有一半采用4500MAH钢壳电池,有百分之三十采用所谓的聚合物铝塑膜包装的电池。所有这些电池都没有解决安全性问题。
18650园柱型电池由于体积比较小,容量普遍在1200MAH左右。要取得1AH以上的容量,采用的普遍是钴酸锂正极材料。2—3只电池并联才能满足矿灯大容量(4500MAH)的要求。而电池的并联形式由于单体电池内部电阻的不同,在频繁的充放电过程中非常容易造成某个电池的过充过放,形成内部短路,引起爆炸概率更高。
锂离子聚合物电池属第二代可充电锂离子电池。这类电池的正负极材料与液态锂离子电池相同,电池的工作原理也与液态锂离子电池相同。不同的是锂离子聚合物的电解质是将液态有机电解质吸附在一种聚合物基质上,被称为胶体电解质。这种电解质既不是游离电解质也不是固体电解质,电池可以实现铝膜软包装,电池可以在低压下工作,消除了漏夜问题,可以解决一些安全问题。
但是,实事求是地说,由于我们对这类电解质材料还处于研究阶段,国内没有一家电池企业在真正生产聚合物锂离子电池,所有的所谓聚合物电池都是铝膜包装的液态电解质电池,电池相对更容易发生漏夜、内短路等安全问题。这些电池生产企业完全是在炒作概念,蒙蔽用户。
目前应用于矿灯的4500MAH钢壳电池主要采用锰酸锂正极材料,在安全性能保障上采用热敏电阻保护和防爆阀保护,由于本身的材料特性,发生爆炸的可能性依然存在,由于防爆阀的开启压力难以严格控制,当防爆阀开启压力过大时形成的危害更大,产生的明火更强烈。
目前,这些锂离子电池矿灯普遍采用安装过充过放电路保护板的形式防止非正常充放电引起的电池爆炸,但由于以下几个方面的原因还没有作到万无一失。
1、保护电路的作用就是防止过充过放电,这种电路对使用环境有苛刻的要求,目前煤矿井下水、粉尘、温度等因素造成的恶劣使用环境使得该电路的可靠性很差,部分矿井充电工人每天对矿灯的水洗更是影响保护电路的可靠性。
2、我们国家采煤工人的素质不是很高,对矿灯的摔打,磕碰等非正常使用也容易造成电路的损坏。
3、该保护电路采用的电子元器件的质量水平存在很大差异,其可靠性良莠不齐,价格更是从2—5元一路不等。有些电子器件还得依赖进口。
4、目前,我国煤矿绝大部分还是采用原来铅酸矿灯的充电架,在短期内要求煤矿对充电架进行全部更换不太现实。因而就产生了在铅酸矿灯充电架上进行锂离子矿灯充电的现象,尽管矿灯内部安装了相应的限流限压电路,但由于同样的原因时常出现过充现象,在煤矿发生的多其电池爆炸事件大多是这个原因引起。
锂离子电池作为新兴的电池技术正在完善过程中,我们不反对新材料、新技术的研究和应用。但我们绝不赞成把不成熟的技术,把没有彻底解决安全问题,存在安全隐患的锂离子电池应用到高危行业之一的井下矿山。

 
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