您所不知道的鋰離子電池起火爆炸的因素與其對策

29 Jul 2020

使用鋰離子電池的產品,包含電動車、電動工具與電子產品的爆炸起火事故大部分都發生在充電的時候。這主要是因為其負極材料(石墨烯或混矽材)在充電時會膨脹造成正負極之間極距縮短,若原本電極間因導電性雜質混入而有效距離低於應有設計就容易演變為內部短路。且在反覆充放電的週期會持續膨脹並非一次充電後既定型!(參考圖1研究報告),導致事故會發生在電池生產的非初次充電,或者是銷售後的終端產品。(此概念有別於一般學術認知的長久鋰沉積造成的內部短路)。

所以鋰離子電池電芯的絕緣測試應當為一個電極間「距離」的測試,而非電阻值的測量。而從空氣的崩潰電壓與距離資料來看(圖2),即使測試距離在1um的情況下,測試電壓也必須大於350V才有檢出效果(空氣崩潰後放電現象)。但大部分的生產者因為缺乏相關技術資訊,認為只要沒有內短路即可,所以導致測試電壓過低,使得無法有效判斷出絕緣距離是否足夠。

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圖1 石墨負極材料在鋰離子電池充放電過程所產生的厚度變化
(參考古河電工時報 第134號2015/1)


圖2. 空氣的崩潰電壓與距離關係

此外,即使使用足夠的電壓,有些毛刺尖端會在測試過程產生間歇性的短暫絕緣崩潰,但這個現象會因尖端破壞短縮而看似恢復,同時隔離膜瞬間被擊穿形成熔孔,絕緣層因缺少隔離膜的保護導致毛刺外露,若再經過數次充放電後,負極材料的膨脹現象將使負極材料與毛刺發生短路,最終釀成災害。若使用一般的絕緣電阻計或是耐壓測試機,只在特定時間檢視漏電流大小是無法檢測出這樣的異常品(圖3)。在測試過程中的電氣閃絡偵測,加上一般測試結束前的漏電流判定才是較完整的測試方式。

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圖3.測試過程的電器閃絡

Chroma 11210電池芯絕緣測試機是專為鋰離子電池電芯絕緣異常檢出而量身打造的絕緣測試機,特別設計「於高壓量測過程中,能針對絕緣體內微小的局部放電或電氣閃絡進行偵測與分析」,此功能可協助鋰離子電池(乾電芯)測量出在電解液填充前的有效絕緣距離是否足夠,避免潛在不良品進入下一生產階段或流入終端市場。相較於傳統的絕緣測試,Chroma 11210電池芯絕緣測機提升了鋰離子電池驅動的電子電氣產品的安全性到新的境界。

 
電池芯絕緣測試器
Model 11210