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人人都该知道的锂电池安全使用须知

时间:2018-09-29 作者:UL 阅读:
建立新的锂电池应用思维,才能为安全生活把关......

“锂电池”应用早已无形渗透在日常生活中,小到可携式的电子产品如耳机、手机、移动电源,大到交通运输工具如电动汽车等的大小锂电池,可谓新型态的“锂生活”已正式来临!

然而,锂电池的安全状况不断,尽管透过安全标准的要求可以大幅降低电池安全的问题,但要达到完全杜绝锂电池起火仍是非常困难!

锂电池的失效风险:热失控

锂电池为什么危险?从锂电池的基本运行原理中就可窥知一二。市面上绝大部分锂电池的主要成分除了正负极材料外,还有电解液与隔离膜。这些材料与结构的特殊组合造成了锂离子能在电池正负极中来回,形成充电与放电的作用。然而这些材料本身在高温下具有不稳定的特性,一旦遇到内短路或是其他情况引起的高温,就可以分解出构成燃烧的要件:氧与可燃物。若是这样产生的热无法散去,就会在电池内部持续循环加速反应,产生所谓的“热失控”,顾名思义就表示了这样的失效无法控制,相当危险。

随着锂电池的应用层面广,安全疑虑也因此扩大。一般手机仅使用了单颗电池,但电动车、储能系统等应用,动辄使用上千颗、上万颗,倘若一颗失效,就可能发生像是放鞭炮一样的连锁效应,一个接着一个,造成严重的伤害与损失。

因此,UL研发技术总监王凯鲁提醒,“千万不可以假设锂电池一定是没有问题的,要使用锂电池,就必须了解它有一定的失效风险。”而锂电池的用料、结构、系统设计绝对会影响热失控发生时的严重性。

电池失效案例与原因

UL以三星Note7起火与波音787飞安事件的电池失效调查发现为例,剖析电池失效事故的原因。

三星Note7电池问题,主要是来自两家不同的电池供货商在制程品管上分别发生问题。其一是在电池组装过程中,锂电池角落受压力变形,造成隔离膜无法有效阻隔正负极,而产生内部短路;另一则是锂电池极耳的超音波焊点突出部位未贴上绝缘胶带,造成内部短路起火,导致产品全面下架回收。

而波音787的锂电池则是由于铆钉的设计,受到飞机引擎与起降等震动使其接触不良,在高电流下使得局部发热造成隔离膜融化,同时系统设计未考虑电芯间泄压阀与失效热传递的影响,造成2013年在一个月内发生两起的飞安事件。

总观而言,UL提出锂电池会出问题的真正原因有二,一是在设计产品时,把电池当成了一般组件使用,但不同于以前的传统电池,锂电池本身存在不可抗的热失控问题必须被彻底了解,电池的质量也须进行严格控管;另亦没有考虑到什么样的环境下使用才安全,做出最适当的要求;二则是没有对电池失效做出最坏情况的打算,忽略了失效所可能产生的风险与严重性。

经深入分析后,这两个案例也开始重新思考看待锂电池的方式。三星从加强质量管控下手,也彻底去评估电池安全范围与失效后的损害。而波音则接受了电池会热失控的现实,从系统端着手改善,利用设计去缓解电池热失控后的失效蔓延。

锂电池安全应用新思维

锂电池确实存在不可控的潜在危险!因此,UL呼吁对于锂电池的安全要有新的思维模式,若要应用锂电池在产品上,就必须认清现实,锂电池一定有安全风险,不能当作一般组件使用,要懂得如何要求电池的安全性,一方面从质量把关着手,降低出问题的机率,一方面从设计着手,充分了解电池的特性,考虑安全使用范围,并思考可能失效的方式与严重程度,将缓解失效的模式设计出来,降低电池失效的严重性。

此外,UL认为预测失效相当重要,王博士重申,电池系统的失效模式应该是被“设计”出来的,完善的失效模式设计可以降低伤害的严重性。波音787的新电池设计就是最好的例子,将产生热失控的热能透过导管排到机身外,降低失效的严重性,有效控制失效后的损害。

电池安全标准新趋势

UL今年推出最新版针对储能系统的UL 9540A 测试方法标准,由于锂电池是目前储能系统的首选,随着美国纽约地区核能电厂陆续退役,为缓解电力需求,开始规画于大楼内自建储能系统,但因锂电池本身存在不可控的失效问题,因此不同于以往,推出新的测试方法,并从考虑最坏的情况出发,直接评估储能电池在热失控起火后的燃烧情况,在安装储能系统时,由系统厂商提供给当地消防人员,藉此了解该储能电池系统在热失控下的火灾特性,进而提供消防系统设计出应对方法的依据。

从基本的电池芯标准ANSI/UL 1642、电池组标准ANSI/UL 2054,延伸到发展各领域如移动电源、平衡车、电动车、储能对应标准。在储能领域,从第一代固定电池组标准ANSI/CAN UL 1973、到全球第一本储能系统标准ANSI/CAN UL 9540,以及最新出版的UL 9540A测试方法。面对锂电池,UL也以新思维因应,要求了解锂电池的应用特性,提出层层防护的安全要求。

王凯鲁并以航空业者举例,对于货机机师来说,相较于单颗引擎的故障,更怕货舱传出的“失火警报”!不仅要考虑到机上消防设备有可能不足以应付的火势,更要考虑到迫降及排泄燃油对于环境的问题。因此航空业者对于“锂电池的飞安”新思维也转向了解热失效的燃烧状况,提出相对应的消防设计与防护应对。

建立锂电池安全使用共识

锂电池确确实实存在的安全问题。除了制造商必须认清及防范使用锂电池可能带来的安全风险外,一般消费大众也同样有责任,必须正视锂电池的危险,了解如何安全使用,像是搭乘飞机,就必须遵守将锂电池产品置放在随身手提行李中,以减少飞安问题的产生。也因此,唯有每一个人都有安全共识,才能降低锂电池发生意外带来的伤害。

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