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从新闻事件及消费纠纷细看锂电池

2016-12-19 11:09:00    中国质量万里行        点击:

  在三百多年前,本杰明·富兰克林开始捕捉雷电,开启了人们对雷电的认识,也开启了人们对电的认识。从那个时候开始,也有很多人在考虑如何将捕捉到的电进行储存,于是电池这种东西就产生了。作为历史上的一个非常重要的发明,电池的出现确实解决了很多的问题,极大提高各种生活效率,而锂电池的出现更加使得人们对电的认识越来越深入了。

  电池爆炸事故的影响

  今年关于锂电池的新闻并不少,前一阵儿格力的董小姐吵着要收购的珠海银隆就是一家锂电池的生产厂家。

  其实锂电池容易过热自燃的问题业界多年前就知道,不过由于它体积小重量轻,生产厂商并不愿意放弃这种解决方案。

  过去几年内,锂电池可引起了不少火灾。今年1月1日,挪威一辆 Model S 充电时突然起火——所幸车内无人。由于特斯拉使用的动力电池是三元锂电池,而三元锂电池燃烧时不能直接用水或者二氧化碳扑灭,专用的铜粉水造价太高又不常见,所以当时的挪威消防队员只能用泡沫控制周边火势,直到这辆 Model S 完全烧毁。想想看,一辆特斯拉需要使用 7000 多节18650 型号锂电池,只要其中一节出了问题,后果不堪设想。

  不仅仅是电动车,受害者还包括渐渐平息的三星Galaxy Note 7、悬浮板和波音787梦想客机等。

  而不久之前刚刚经历的“关机门事件”的苹果手机也被很多消费者质疑为电池原因,尽管苹果官方给出的调查结果是第三方配件导致,但真相还是有点让消费者没法接受。

  回头看三星N o t e 7电池事故对整个电池、手机行业产生的影响,相信也会引起行业内以及更多的消费者更加重视锂离子电池的安全问题。

  有业内人士关于锂电池提出了几点建议:1、在生产工艺环节是否可以在电解液里加入防止燃烧和爆炸的物质;2、在隔膜方面,能不能做到更可靠,孔径排布更均匀。3、在全流程的电池检测方面,怎样才能做到更可靠的检测并且将数据有效记录,供后续随时调用。4、在电池最后的运输和包装环节,怎样确保这些非生产环节的安全。

  此外,在Note7电池事故发生之后,三星就开始大规模地使用X光检测,就是电池出厂之前要进行X光照射。这一手段可以带来诸多便利,比如外壳,激光检测之后可以确认这个外壳到底有没有破损。如果一旦破损,电解液泄漏出来也是一个很大的风险。再比如,检测电池内部的隔膜有没有穿孔,保护电路有没有脱落等等。引入X光检测是一项非常方便和重要的技术创新。

  锂电池的简历

  从20世纪70年代埃克森的 M.S.Whittingham采用硫化钛作为正极材料,金属锂作为负极材料,制成首个锂电池。到1991年索尼公司发布首个商用锂离子电池,锂离子电池也在不断地革新消费电子产品的面貌。1998年,天津电源研究所开始商业化生产锂离子电池。习惯上,人们把锂离子电池也称为锂电池,但这两种电池是不一样的。锂离子电池已经成为主流。

  从专业的解释上来讲,“锂电池”是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。锂电池最早期应用在心脏起搏器中。锂电池的自放电率极低,放电电压平缓等优点,使得植入人体的起搏器能够长期运作而不用重新充电。锂电池一般有高于3.0 伏的标称电压,更适合作集成电路电源。二氧化锰电池,就广泛用于计算器,数码相机、手表中。

  锂电池大致可分为两类:锂金属电池和锂离子电池。锂离子电池不含有金属态的锂,并且是可以充电的。可充电电池的第五代产品锂金属电池在1996年诞生,其安全性、比容量、自放电率和性能价格比均优于锂离子电池。由于其自身的高技术要求限制,现在只有少数几个国家的公司在生产这种锂金属电池。

  从锂电池产业链来看,上游材料主要包括锂原材料、正极材料、负极材料、电解液、隔膜以及铝塑膜等。按照上游材料成本占锂电池成本的比例来看,正极材料和铝塑膜占比较高,分别为30%和18%。随着新能源汽车销量的持续高增长,以及各大锂电池厂新建产能逐步投产,上游材料需求将大增。

  随着数码产品如手机、笔记本电脑等产品的广泛使用,锂离子电池以优异的性能在这类产品中得到广泛应用,并在逐步向其他产品应用领域发展。

  手机、电动车电池质量问题

  对于普通消费者而言,大多都是通过手机、电动自行车等一些带有锂电池的电子设备来对其认知。

  中国质量万里行消费投诉平台统计,近些年关于手机电池鼓包以及充电等问题的案例屡见不鲜,并且涉及很多手机品牌。

  山东的李女士购买了红米 n o t e3手机一部,可用了没多久手机电池鼓胀,几乎要爆炸的感觉。手机后盖被撑坏、严重变形,去售后进行保修,经过鉴定之后说是人为原因,这让李女士感到不解。今年,有一些消费者投诉小米手机爆炸的事件,不过小米对此问题并没有指出事件原因,尽管数量并不多,但对于消费者而言,应该知道究竟是什么原因产生的爆炸问题,是电池原因,还是其他原因。

  菏泽的周先生购买了一部魅蓝not e2手机,使用了不到4个月就出现了电池充不上电的情况,显示充到30%就再也充不上了,并且耗电量大,手机发热严重,手机后盖明显凸出一块,使用时间也逐渐降低,看视频一个小时就没电了,待机一天就没电了。

  虽然现在可更换锂电池手机变得越来越少,但因为手机电池爆炸导致人员受伤的新闻却仍然时有发生,电池爆炸的事故时常将问题归咎于用户私自购买市场上不合格的锂电池,然而手机品牌越来越多,代工锂电池的工厂大小也是参差不齐,不合格电池容易发热、膨胀,存在爆炸风险。

  说到手机,不得不提下移动电源。移动电源虚标容量的问题在行业内一直普遍,电池容量虚标就是放大或夸大实际电池容量的参数,目的是吸引消费者眼球并能卖上好价钱。举例来说,假设一节18650锂电池的电池容量实际是 2200m A h,厂家在电池上标识是 5000m A h,那么这就属于电池容量虚标现象。

  分析人士指出,由于移动电源行业准入门槛低、产品质量差、无序竞争,没有国标对整个行业起到规范是一个很大的原因。目前一些大的厂家已经参照锂电池国标等现有国标制定了自己的企业标准,保证自己的产品质量。但由于山寨产品太多,导致很多厂家利润太薄,无法生存。

  除了消费者经常使用的手机之外,电动自行车的锂电池也存在着诸多问题。

  武汉董女士骑了已有5年的电动车,此前从未出现相关问题。前不久因电池旧了,董女士更换了一款新的超霸电池,可安装上没多久车子就自燃了。

  苏州的郑荣生在京东第三方平台购买了一辆锂电池电动自行车,购买了1个多月,电动车的行驶里程从宣传上说的40公里一直下降,刚骑的时候是20公里,后来是15公里、10公里,最后就是200 米,直到现在电动车充不进一点儿电。

  深圳温先生上个月在淘宝网上购买的一款电动车,第一次骑着上班,单程18公里,回程走一半就没电了,也就是说只能走27公里左右,根本达不到40公里的要求。

  随后他咨询了一些专业锂电池的师傅,在他们的建议下,查明骑行里程不达标的原因为原电池容量严重虚标,实际容量最多是48V6.6A 到7.8A(若包含制造时容量损耗,实际容量将会更小),实数电芯为13串 3并,共计39粒18650电芯。

  温先生发现,在淘宝上卖全新三星电芯价格在10~20元之间,容量为2.2~2.6A。而从卖家说电池出厂价为600元来看,应该是此类电芯,因此电池容量不可能达到 9A。实际上,温先生也注意到卖家在淘宝中上传的检测报告中不含电池容量该项重要指标,另外所附的报告也是模糊不清的。

  经常会有消费者疑惑电池 20A h、30A h为什么跑不远,其实都是电量标识误导的。实际上,电池容量是一个动态变化过程,一般都是衰减了,而所谓60V 20A h 电池只是新电池最佳放电条件。在实际使用中,温度,衰减,等一系列因素让同标号电池容量各异。

  一般电动车电池型号主要分为36V、48V、60V、64V、72V等几种。目前48V是最常见的,大概占了所有电动车用户的90%以上。以 48V为例,常用的型号为6-DZM-1 2指 4 8V1 2 A h、6 -D Z M-2 0 指 4 8 V 2 0A h、8 -D Z M-14指 64V14A h。但是很多小品牌甚至翻新电池厂家就开始虚标了,比如说:电池上标注6-DZM-14,其实是国标10-12AH的,6-DZM-20,其实是国标17AH的电池。

  为了规范锂电子市场,工信部也在去年出台的《锂离子电池行业规范条件》,目的是加强锂离子电池行业管理,提高行业发展水平,引导产业转型升级和结构调整,推动锂离子电池产业持续健康发展。

  为什么锂电池会爆炸?

  从专业资料上分析得出锂电池爆炸原因主要有以下几点:1、内部极化较大;2、极片吸水,与电解液发生反应气鼓;3、电解液本身的质量、性能问题;4、注液时候注液量达不到工艺要求;5、装配制程中激光焊接密封性能差,测漏气时漏气;6、粉尘、极片粉尘首先易导致微短路;7、正负极片较工艺范围偏厚,入壳难;8、注液封口问题,钢珠密封性能不好导致气鼓;9、壳体来料存在壳壁偏厚,壳体变形影响厚度;10、外面环境温度过高也是导致爆炸的主要原因。

  从爆炸类型分析上看,电池芯爆炸的类型可归纳为外部短路、内部短路及过充三种。

  此处的外部系指电芯的外部,包含了电池组内部绝缘设计不良等所引起的短路。当电芯外部发生短路,电子组件又未能切断回路时,电芯内部会产生高热,造成部分电解液汽化,将电池外壳撑大。

  当电池内部温度高到135摄氏度时,质量好的隔膜纸,会将细孔关闭,电化学反应终止或近乎终止,电流骤降,温度也慢慢下降,进而避免了爆炸发生。但是,细孔关闭率太差,或是细孔根本不会关闭的隔膜纸,会让电池温度继续升高,更多的电解液汽化,最后将电池外壳撑破,甚至将电池温度提高到使材料燃烧并爆炸。

  内部短路主要是因为铜箔与铝箔的毛刺穿破隔膜,或是锂原子的树枝状结晶穿破隔膜所造成。这些细小的针状金属,会造成微短路。由于针很细有一定的电阻值,因此,电流不见得会很大。铜铝箔毛刺系在生产过程造成,可观察到的现象是电池漏电太快,多数可被电芯厂或是组装厂筛检出来。而且,由于毛刺细小,有时会被烧断,使得电池又恢复正常。因此,因毛刺微短路引发爆炸的机率不高。

  这样的说法,可以从各电芯厂内部都常有充电后不久,电压就偏低的不良电池,但是却鲜少发生爆炸事件,得到统计上的支持。因此,内部短路引发的爆炸,主要还是因为过充造成的。因为,过充后极片上到处都是针状锂金属结晶,刺穿点到处都是,到处都在发生微短路。因此,电池温度会逐渐升高,最后高温将电解液气体。这种情形,不论是温度过高使材料燃烧爆炸,还是外壳先被撑破,使空气进去与锂金属发生激烈氧化,都是爆炸收场。但是过充引发内部短路造成的这种爆炸,并不一定发生在充电的当时。有可能电池温度还未高到让材料燃烧、产生的气体也未足以撑破电池外壳时,消费者就终止充电,带手机出门。这时众多的微短路所产生的热,慢慢地将电池温度提高,经过一段时间后,才发生爆炸。

  消费者共同的描述都是拿起手机时发现手机很烫,扔掉后就爆炸。综合以上爆炸的类型,可以将防爆重点放在过充的防止、外部短路的防止及提升电芯安全性三方面。其中过充防止及外部短路防止属于电子防护,与电池系统设计及电池组装有较大关系。电芯安全性提升之重点为化学与机械防护,与电池芯制造厂有较大关系。

  普通的锂离子电池由正极、负极、电解质、隔膜组成。锂离子在正负极之间来回“奔跑”,完成充放电的过程。有了电解质,锂离子才能 “奔跑”。正负极之间用陶瓷或者其他聚合物制成的隔膜隔开,电池的正负极因此避免了直接接触。

  安全隐患就在这个隔膜上。一旦高压、过热,隔膜很容易被穿破,导致正负极接触,造成内部短路。可能大多数的消费者对于专业上的理论并未完全了解,但可以在平时充电上特别注意,防止过充。

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