早期的個(gè)人電子設(shè)備因?yàn)楣妮^小多采用干電池供電，伴隨著手機(jī)、平板電腦等手持設(shè)備的普及，能量密度比較高的鋰離子電池逐漸走進(jìn)千家萬(wàn)戶。近年來(lái)電動(dòng)車、無(wú)人機(jī)等大量商品化，更大大尺寸及更高能量密度的鋰電池得到廣泛應(yīng)用。在享受科技進(jìn)步帶來(lái)的方便和可樂(lè)的同時(shí)，你可曾意識(shí)到天天伴隨你左右的很多產(chǎn)品，隨時(shí)隨地可能變身奪命殺手，給個(gè)人、家庭和社會(huì)造成巨大損失？媒體上不時(shí)爆出因充電寶、電動(dòng)車自爆自燃釀成火災(zāi)事故或人身傷害，而舉世震驚的三星手機(jī)爆炸起火案幾乎將三星公司多年積累的品牌形象一舉摧毀，至今影響尚未完全消除。

圖1： 三星手機(jī)爆炸起火圖

而很多觸目驚心的電子設(shè)備爆炸起火的根本原因，都和鋰電池質(zhì)量缺陷有關(guān)。鋰電池的的使用涉及人命關(guān)天的大事，需要電子工程師在設(shè)計(jì)階段高度重視。

簡(jiǎn)要介紹鋰電池

通常說(shuō)的鋰電池也稱為鋰離子聚合物電池，因儲(chǔ)存和釋放電荷主要靠封裝在電池內(nèi)部的含金屬鋰離子的電解液而得名，鋰的化學(xué)活性極強(qiáng)，單位儲(chǔ)能密度遠(yuǎn)大于普通的干電池或傳統(tǒng)的鉛鋅電池。但是含鋰離子的電解液遇到空氣極易發(fā)生燃燒，如果燃燒過(guò)于劇烈或是發(fā)生在密閉空間就可能導(dǎo)致爆炸。完整的鋰電池一般由三部分組成，第一部分是電芯，第二部分是電池保護(hù)板，另外是電池外殼。三者之間緊密相連，共同決定電池的品質(zhì)和應(yīng)用安全。

鋰電池的電芯是電池的核心部件，是決定電池品質(zhì)的最根本因素，對(duì)技術(shù)、生產(chǎn)流程管控及原材料品質(zhì)要求極高。電子工程師根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，提供外形尺寸、電壓容量等技術(shù)指標(biāo)給電芯廠家，電芯廠商按照客戶需求進(jìn)行電芯設(shè)計(jì)，規(guī)格書經(jīng)雙方確認(rèn)后開始正式生產(chǎn)。經(jīng)過(guò)備料、開模、下料、疊片、灌裝、密封、測(cè)試、老化等幾十到道繁雜工藝，最終生產(chǎn)出一個(gè)個(gè)單電芯，再根據(jù)電壓和容量要求組合成單芯、兩串、多串等最終成品。

鋰電池安全案例分析

電池保護(hù)功能板是根據(jù)電芯特性設(shè)計(jì)的一塊獨(dú)立電路板，主要起限制電芯的充放電電流和電壓，過(guò)充過(guò)放過(guò)溫時(shí)保護(hù)電芯不受損壞或爆炸起火等作用。一般大型的電芯廠商有能力設(shè)計(jì)保護(hù)板，而技術(shù)實(shí)力不足的電芯廠商多依賴客戶或保護(hù)板設(shè)計(jì)公司提供相應(yīng)的保護(hù)板。

電芯和保護(hù)板需要裝進(jìn)電池盒內(nèi)才能成為真正意義上的電池，一種方式是直接內(nèi)置在產(chǎn)品內(nèi)部，還有很多是獨(dú)立封裝為一個(gè)電池盒，然后作為一個(gè)整體部件直接安裝固定在產(chǎn)品上。圖2是發(fā)生燒焦冒煙輕微事故產(chǎn)品的電池盒拆解圖。

圖2：電池盒拆解圖

該電池為兩個(gè)電芯串聯(lián)形式，即圖中左右兩個(gè)銀色模塊。兩個(gè)電芯的中間是電池保護(hù)功能板，左邊電芯下邊是電池盒。從圖上可以明顯看到右邊的電池電芯已嚴(yán)重起鼓，中間的電池保護(hù)板上有明顯的燒焦痕跡，因?yàn)楸Ｗo(hù)板發(fā)揮了作用，在存在質(zhì)量問(wèn)題的電芯發(fā)生漏液爆炸冒煙起火前及時(shí)切斷了充電電路，從而避免了可能導(dǎo)致的嚴(yán)重事故。

在另一起電子產(chǎn)品自燃事故中，經(jīng)過(guò)分析排查，著火是由設(shè)備配置的鋰電池自燃導(dǎo)致，自燃后的電池殘片如圖3所示。

圖3： 自燃后的電池殘片

進(jìn)一步追查發(fā)現(xiàn)，電芯廠商產(chǎn)品品質(zhì)管控不嚴(yán)，電芯本身存在安全隱患；電池保護(hù)板相關(guān)參數(shù)設(shè)置不合理，特別是過(guò)充過(guò)放電流設(shè)置過(guò)大，無(wú)過(guò)熱保護(hù)功能，導(dǎo)致有隱患的電芯充放電時(shí)過(guò)熱起鼓，保護(hù)電路不能及時(shí)切斷電路，最終導(dǎo)致電芯破裂，電解液大面積流出，遇到空氣后冒煙起火。

鋰電池安全設(shè)計(jì)

國(guó)家對(duì)于鋰電池以及電芯有著嚴(yán)格的認(rèn)證要求，如下列文件均為強(qiáng)制性條款：

GB 31241-2014 便攜式電子產(chǎn)品用鋰離子電池和電池組安全要求；

GB/T 18287-2013 移動(dòng)電話用鋰離子蓄電池及蓄電池組總規(guī)范；

另外UL1642“ 鋰電池標(biāo)準(zhǔn)”也有很多關(guān)于安規(guī)方面的要求。

這些安全性測(cè)試項(xiàng)目均要測(cè)試以下項(xiàng)目：

1、過(guò)充電；

2、強(qiáng)制放電；

3、短路測(cè)試；

4、熱濫用；

5、針刺（允許漏液）；

6、擠壓；

測(cè)試通過(guò)的最基本要求是電池組不起火、不爆炸！！

但是現(xiàn)實(shí)卻很殘酷，除部分技術(shù)實(shí)力強(qiáng)的大公司產(chǎn)品能完全滿足以上全部要求外，很多電池廠商根本不敢保證大批量出貨的電芯能夠通過(guò)熱濫用和針刺擠壓等幾項(xiàng)較苛刻測(cè)試要求。而質(zhì)量有保證的大品牌和一般的品牌之間同等容量和規(guī)格的電芯價(jià)格通常能差50%以上，很多公司就寧愿選擇存在很大安全隱患的低成本電芯。

另外像無(wú)人機(jī)等需要電池瞬間超高倍率放電能力導(dǎo)致保護(hù)板設(shè)計(jì)困難，或是考慮加上保護(hù)板的自身成本問(wèn)題，有些無(wú)良企業(yè)就會(huì)不加保護(hù)板或是不加熱保護(hù)功能，或是隨意改變保護(hù)閾值等，導(dǎo)致保護(hù)板的功能喪失或部分失效，一旦遇到不合格的電芯或是極端使用條件，極易晾成大禍。

產(chǎn)品一旦發(fā)生自燃或爆炸給公司帶來(lái)巨大影響，強(qiáng)烈建議電子工程師在設(shè)計(jì)鋰電池時(shí)遵循以下原則：

1、優(yōu)先選擇質(zhì)量可靠、工藝管控嚴(yán)格、測(cè)試流程規(guī)范，特別是能夠書面承諾，大批量供貨的產(chǎn)品也能通過(guò)UL認(rèn)證安規(guī)測(cè)試的大品牌電芯；有實(shí)力的電芯廠商會(huì)從一開始就非常注重

2、根據(jù)產(chǎn)品的工作條件和要求，精心計(jì)算并設(shè)置電池保護(hù)板各種參數(shù)，特別是過(guò)充、過(guò)放、過(guò)電流、短路保護(hù)等；

3、務(wù)必要增加過(guò)熱保護(hù)電路并留出裕量；

4、有條件的盡可能選擇帶總線通信的智能保護(hù)板，可以通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控電芯的狀態(tài)及早預(yù)警和處理，大大增加安全性，當(dāng)然智能保護(hù)板的成本也要遠(yuǎn)高于不帶通信功能的普通保護(hù)板。

5、重視電池盒的設(shè)計(jì)，需要考慮電芯和保護(hù)板的安裝固定、必要的形變空間，足夠光滑的表面，因?yàn)槿魏坞娦驹诜磸?fù)充放電過(guò)程中俊輝產(chǎn)生形變，而電池盒內(nèi)的毛刺可能會(huì)刺穿電芯表面，從而導(dǎo)致漏液等，而且這類問(wèn)題電池保護(hù)板是無(wú)法起到保護(hù)作用的。

6、采用具有一定保護(hù)功能的充電器，在內(nèi)置的電池保護(hù)板失效的情況下部分起到防護(hù)作用。

結(jié)束語(yǔ)：

鋰電池的安全應(yīng)用涉及千家萬(wàn)戶的生命和財(cái)產(chǎn)安全，但同時(shí)由于鋰電池的價(jià)格較高，導(dǎo)致了很多公司不愿選擇性能好但價(jià)格高的電池。這個(gè)矛盾是擺在所有相關(guān)電子工程師面前的一道難題，需要得到公司高層的理解和支持才能從根本上解決問(wèn)題。