建立新的鋰
電池應(yīng)用思維,才能為安全生活把關(guān)......
“鋰電池”應(yīng)用早已無形滲透在日常生活中,小到可攜式的電子產(chǎn)品如耳機(jī)、手機(jī)、移動(dòng)電源,大到交通運(yùn)輸工具如電動(dòng)汽車等的大小鋰電池,可謂新型態(tài)的“鋰生活”已正式來臨!
然而,鋰電池的安全狀況不斷,盡管透過安全標(biāo)準(zhǔn)的要求可以大幅降低電池安全的問題,但要達(dá)到完全杜絕鋰電池起火仍是非常困難!
鋰電池的失效風(fēng)險(xiǎn):熱失控
鋰電池為什么危險(xiǎn)?從鋰電池的基本運(yùn)行原理中就可窺知一二。市面上絕大部分鋰電池的主要成分除了正負(fù)極材料外,還有電解液與隔離膜。這些材料與結(jié)構(gòu)的特殊組合造成了鋰離子能在電池正負(fù)極中來回,形成充電與放電的作用。然而這些材料本身在高溫下具有不穩(wěn)定的特性,一旦遇到內(nèi)短路或是其他情況引起的高溫,就可以分解出構(gòu)成燃燒的要件:氧與可燃物。若是這樣產(chǎn)生的熱無法散去,就會(huì)在電池內(nèi)部持續(xù)循環(huán)加速反應(yīng),產(chǎn)生所謂的“熱失控”,顧名思義就表示了這樣的失效無法控制,相當(dāng)危險(xiǎn)。
隨著鋰電池的應(yīng)用層面廣,安全疑慮也因此擴(kuò)大。一般手機(jī)僅使用了單顆電池,但
電動(dòng)車、儲(chǔ)能系統(tǒng)等應(yīng)用,動(dòng)輒使用上千顆、上萬顆,倘若一顆失效,就可能發(fā)生像是放鞭炮一樣的連鎖效應(yīng),一個(gè)接著一個(gè),造成嚴(yán)重的傷害與損失。
因此,UL研發(fā)技術(shù)總監(jiān)王凱魯提醒,“千萬不可以假設(shè)鋰電池一定是沒有問題的,要使用鋰電池,就必須了解它有一定的失效風(fēng)險(xiǎn)。”而鋰電池的用料、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)絕對(duì)會(huì)影響熱失控發(fā)生時(shí)的嚴(yán)重性。
電池失效案例與原因
UL以三星Note7起火與波音787飛安事件的電池失效調(diào)查發(fā)現(xiàn)為例,剖析電池失效事故的原因。
三星Note7電池問題,主要是來自兩家不同的電池供貨商在制程品管上分別發(fā)生問題。其一是在電池組裝過程中,鋰電池角落受壓力變形,造成隔離膜無法有效阻隔正負(fù)極,而產(chǎn)生內(nèi)部短路;另一則是鋰電池極耳的超音波焊點(diǎn)突出部位未貼上絕緣膠帶,造成內(nèi)部短路起火,導(dǎo)致產(chǎn)品全面下架回收。
而波音787的鋰電池則是由于鉚釘?shù)脑O(shè)計(jì),受到飛機(jī)引擎與起降等震動(dòng)使其接觸不良,在高電流下使得局部發(fā)熱造成隔離膜融化,同時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)未考慮電芯間泄壓閥與失效熱傳遞的影響,造成2013年在一個(gè)月內(nèi)發(fā)生兩起的飛安事件。
總觀而言,UL提出鋰電池會(huì)出問題的真正原因有二,一是在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí),把電池當(dāng)成了一般組件使用,但不同于以前的傳統(tǒng)電池,鋰電池本身存在不可抗的熱失控問題必須被徹底了解,電池的質(zhì)量也須進(jìn)行嚴(yán)格控管;另亦沒有考慮到什么樣的環(huán)境下使用才安全,做出最適當(dāng)?shù)囊;二則是沒有對(duì)電池失效做出最壞情況的打算,忽略了失效所可能產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)與嚴(yán)重性。
經(jīng)深入分析后,這兩個(gè)案例也開始重新思考看待鋰電池的方式。三星從加強(qiáng)質(zhì)量管控下手,也徹底去評(píng)估電池安全范圍與失效后的損害。而波音則接受了電池會(huì)熱失控的現(xiàn)實(shí),從系統(tǒng)端著手改善,利用設(shè)計(jì)去緩解電池?zé)崾Э睾蟮氖印?/div>
鋰電池安全應(yīng)用新思維
鋰電池確實(shí)存在不可控的潛在危險(xiǎn)!因此,UL呼吁對(duì)于鋰電池的安全要有新的思維模式,若要應(yīng)用鋰電池在產(chǎn)品上,就必須認(rèn)清現(xiàn)實(shí),鋰電池一定有安全風(fēng)險(xiǎn),不能當(dāng)作一般組件使用,要懂得如何要求電池的安全性,一方面從質(zhì)量把關(guān)著手,降低出問題的機(jī)率,一方面從設(shè)計(jì)著手,充分了解電池的特性,考慮安全使用范圍,并思考可能失效的方式與嚴(yán)重程度,將緩解失效的模式設(shè)計(jì)出來,降低電池失效的嚴(yán)重性。
此外,UL認(rèn)為預(yù)測(cè)失效相當(dāng)重要,王博士重申,電池系統(tǒng)的失效模式應(yīng)該是被“設(shè)計(jì)”出來的,完善的失效模式設(shè)計(jì)可以降低傷害的嚴(yán)重性。波音787的新電池設(shè)計(jì)就是最好的例子,將產(chǎn)生熱失控的熱能透過導(dǎo)管排到機(jī)身外,降低失效的嚴(yán)重性,有效控制失效后的損害。
電池安全標(biāo)準(zhǔn)新趨勢(shì)
UL今年推出最新版針對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的UL 9540A 測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn),由于鋰電池是目前儲(chǔ)能系統(tǒng)的首選,隨著美國紐約地區(qū)核能電廠陸續(xù)退役,為緩解電力需求,開始規(guī)畫于大樓內(nèi)自建儲(chǔ)能系統(tǒng),但因鋰電池本身存在不可控的失效問題,因此不同于以往,推出新的測(cè)試方法,并從考慮最壞的情況出發(fā),直接評(píng)估儲(chǔ)能電池在熱失控起火后的燃燒情況,在安裝儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí),由系統(tǒng)廠商提供給當(dāng)?shù)叵廊藛T,藉此了解該儲(chǔ)能電池系統(tǒng)在熱失控下的火災(zāi)特性,進(jìn)而提供消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)出應(yīng)對(duì)方法的依據(jù)。
從基本的電池芯標(biāo)準(zhǔn)ANSI/UL 1642、電池組標(biāo)準(zhǔn)ANSI/UL 2054,延伸到發(fā)展各領(lǐng)域如移動(dòng)電源、平衡車、電動(dòng)車、儲(chǔ)能對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。在儲(chǔ)能領(lǐng)域,從第一代固定電池組標(biāo)準(zhǔn)ANSI/CAN UL 1973、到全球第一本儲(chǔ)能系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)ANSI/CAN UL 9540,以及最新出版的UL 9540A測(cè)試方法。面對(duì)鋰電池,UL也以新思維因應(yīng),要求了解鋰電池的應(yīng)用特性,提出層層防護(hù)的安全要求。
王凱魯并以航空業(yè)者舉例,對(duì)于貨機(jī)機(jī)師來說,相較于單顆引擎的故障,更怕貨艙傳出的“失火警報(bào)”!不僅要考慮到機(jī)上消防設(shè)備有可能不足以應(yīng)付的火勢(shì),更要考慮到迫降及排泄燃油對(duì)于環(huán)境的問題。因此航空業(yè)者對(duì)于“鋰電池的飛安”新思維也轉(zhuǎn)向了解熱失效的燃燒狀況,提出相對(duì)應(yīng)的消防設(shè)計(jì)與防護(hù)應(yīng)對(duì)。
建立鋰電池安全使用共識(shí)
鋰電池確確實(shí)實(shí)存在的安全問題。除了制造商必須認(rèn)清及防范使用鋰電池可能帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)外,一般消費(fèi)大眾也同樣有責(zé)任,必須正視鋰電池的危險(xiǎn),了解如何安全使用,像是搭乘飛機(jī),就必須遵守將鋰電池產(chǎn)品置放在隨身手提行李中,以減少飛安問題的產(chǎn)生。也因此,唯有每一個(gè)人都有安全共識(shí),才能降低鋰電池發(fā)生意外帶來的傷害。
(責(zé)任編輯:子蕊)
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