鋰離子電池的安全問題：探討故障機制

鋰離子電池 鋰離子電池為無數設備供電，但其能量密度也帶來了固有風險。鋰離子電池的安全隱患包括熱失控、火災和爆炸等嚴重危險。 多因素評估突顯關鍵風險 例如電池膨脹產生的氣體以及濫用導致的老化效應。這些故障的原因是什麼？又該如何緩解？

第一部分：鋰離子電池的常見故障機制

1.1 熱失控

熱失控是鋰離子電池中最危險的故障機制之一。當電池失控過熱時，可能導致起火或爆炸。這種現象通常始於化學反應引起的內部發熱，並隨著溫度升高而加速。過度充電、物理損壞或暴露於高溫都可能導致此問題。

研究表明，雖然單一鋰離子電池事故的後果可能有限，但電池組內部熱失控的蔓延可能會加劇事故的嚴重程度。例如，傳熱過程在決定失控蔓延方式方面起著關鍵作用。有效的滅火方法，例如控制熱量的產生，可以減輕損害。

電池化學	SOC對天然氣產量的影響
NMC	增加觀察到
LFP的	幾乎沒有相關性
NCA	增加觀察到
液態二氧化碳	增加觀察到

1.2 機械變形

機械變形會損害鋰離子電芯的結構完整性，進而帶來潛在危險。當受到壓縮或衝擊等外力作用時，電池可能會發生內部短路，甚至熱失控。準靜態壓縮試驗表明，更高的荷電狀態 (SOC) 和更快的負載速度會加劇熱失控風險。

學習重點	發現
軸向載重下的失效模式	透過準靜態壓縮和動態衝擊測試進行調查。
熱失控強度	隨充電狀態 (SOC) 升高而增加 和加載速度。
內部短路	發生在動態衝擊後，但未觀察到劇烈的熱失控。

1.3 過度充電和過度放電

過度充電和過度放電是導致鋰離子電池效能下降的關鍵因素。過度充電會增加短期故障和容量衰減的風險，而過度放電則會導致電池電極受到不可逆的損壞。這兩種情況都會損害電池的安全性和效能。

方面	過度充電的影響	過度放電效應
Electrochemical Analysis	較高的截止電壓會導致電池短期失效。即使在較低的截止電壓下也會出現明顯的容量衰減。	觀察到阻抗增加和可逆容量大幅下降。
機械性能	陰極顆粒嚴重損傷、脫落，模量、硬度明顯降低。	正極活性顆粒損傷、脫落，機械性質下降。
安全風險	嚴重的性能下降會帶來不可忽視的安全風險。	性能下降，增加電池安全隱憂。
結構變化	陽極表面的過渡金屬沉積物和鋰鍍層會導致容量損失。	陰極的形態變化會導致表現問題。
熱穩定性	隔膜的熱穩定性明顯下降。	注意到分離器性能下降。

1.4 內部短路

當電池電極之間的隔膜失效，導致電極直接接觸時，就會發生內部短路。這種故障機制通常由製造缺陷、污染或機械應力所造成。一旦發生短路，可能會引發熱失控，造成重大危險。

鋰庫存損失 (LLI)、活性材料損失 (LAM) 和電導率損失 (CL) 是內部短路的常見後果。這些機制會降低電池容量並增加內阻，最終縮短電池壽命。

機制	產品說明
鋰庫存損失（LLI）	由於陰極電解質中間相 (CEI) 膜的生長和​​電解質的分解而發生，從而捕獲鋰離子並降低容量。
活性物質損失（LAM）	指因鋰沉積、黏結劑分解、結構損壞等原因造成電極中活性品質的損失，進而影響容量。
電導損失（CL）	描述材料傳導鋰離子和電子的能力下降，導致內阻增加和電池壽命縮短。

第 2 部分：導致鋰離子電池故障的關鍵因素

2.1 材料特性和雜質

鋰離子電池所用材料對其性能和安全性至關重要。即使是微觀層面的雜質，也會顯著增加電池故障的風險。例如，製造過程中引入的金屬顆粒可能導致內部短路，從而引發熱失控。對於採用超薄隔膜（24微米或更薄）的電池，這一問題尤其突出，因為這些隔膜更容易受到污染。

證據說明	信息
微小金屬顆粒	這些可能會導致鋰離子電池內部短路，進而引發故障。
製造清潔度	儘管處於無塵室環境中，但由於限制，缺陷仍然會出現。
超薄隔膜	隔膜厚度為 24µm 或更小的電池更容易受到雜質的影響，從而增加熱失控風險。

材料降解也會導致電池故障。例如，腐蝕會降低金屬部件的有效橫截面積，從而削弱其結構完整性。高溫會加劇這個問題，造成不可逆的損壞，並縮短電池的使用壽命。

方面	發現
腐蝕效應	腐蝕降低強度、彈性模量、金屬構件的延展性。
溫度影響	高溫會造成不可逆的損壞，增加內部阻抗。
機械完整性	動態衝擊揭示了電池變形特性的顯著差異。

為了降低這些風險，您應該優先選擇遵守嚴格材料品質標準的製造商所生產的電池。這可以確保最大限度地減少雜質和材料缺陷，從而提高性能和安全性。

2.2 環境和操作條件

環境因素如 溫度和濕度 顯著影響鋰離子電池的性能和可靠性。這些條件的變化會導致感測器不準確，難以準確預測電池容量。

• 溫度和相對濕度會影響感測器輸出，從而可能指示潛在的故障。

• 環境幹擾為資料可靠性帶來了不確定性，使容量預測變得複雜。

• 考慮這些因素的模型對於提高預測準確性至關重要。

操作條件也起著至關重要的作用。高溫會加速電池老化，而低溫則會導致鋰沉積，導致容量損失。振動和機械衝擊在電池中很常見。 產業 以及 交通運輸應用，進一步給電池帶來壓力，增加故障的可能性。

發現	產品說明
預測準確度	數據驅動模型提高預測準確性 在老化過程中。
參數變化	老化會增加內阻和擴散時間常數。
相關	電壓上升時間等外部參數與內部狀態變化一致。

為確保最佳性能，應在建議的溫度和濕度範圍內操作鋰離子電池。避免將其暴露在極端條件或機械應力下，因為這些因素可能會損害其安全性和使用壽命。

2.3 製造缺陷和品質控制

製造缺陷 缺陷仍然是導致鋰離子電池故障的重要因素。即使採用先進的生產技術，也可能出現隔膜針孔、電極錯置和材料不一致等問題。這些缺陷通常會導致短路、開路故障或電池壽命後期顯現的潛在缺陷。

故障類型	產品說明
開路故障	發生在焊接處、接片處或因腐蝕。
短路故障	通常由電極接觸點的微米級缺陷引起。
潛在缺陷	隨著時間的推移，潛在的缺陷會被啟動並導致故障。
機械缺陷	包括隔板針孔、錯位和電極皺紋。
材料品質問題	即使結構良好的電池，材料品質差也會導致缺陷。
門檻機制	當內部狀態因退化因素而超過臨界閾值時，就會發生故障。

品質控制措施，例如故障模式影響分析 (FMEA) 和故障模式方法影響分析 (FMMEA)，對於識別和降低這些風險至關重要。透過實施嚴格的測試方案，製造商可以在電池到達消費者手中之前檢測並解決缺陷。您應該始終選擇信譽良好、注重品質控制的製造商所生產的電池。

2.4 使用和維護不當

不當的操作和維護會顯著增加鋰離子電池故障的風險。過度充電、深度放電或暴露於極端溫度等惡劣條件可能會導致災難性的後果。研究表明，鋰離子電池的壽命可達 臨界溫度為440 K 爆炸發生前。在這類事件中，聲壓級在幾毫秒內就能從 46.2 dB 上升到 83.85 dB，凸顯了這些故障的嚴重性。

忽視適當的維護也會加速電池效能的下降。例如，讓電池過熱或在低於冰點的溫度下充電可能會產生應力，導致熱失控。電壓突然下降和溫度突然升高通常預示著即將發生故障，凸顯了定期監測的重要性。

為了最大程度地降低風險，您應該遵循以下最佳做法：

• 將部分充電的電池存放在陰涼乾燥的環境中。

• 避免過度充電或深度放電。

• 使用製造商推薦的充電器和配件。

遵守這些準則，您可以延長鋰離子電池的使用壽命，同時確保其安全性和可靠性。

鋰離子電池故障源自於熱失控、材料雜質和不當使用等因素。這些故障可能導致嚴重後果，包括火災隱患。採取完善的安全策略，例如適當的維護和消防措施，對於降低風險至關重要。

電池安全技術的進步展現出良好的前景。例如：

• 美國環保署計劃提出新規，將鋰離子電池作為通用廢物進行管理。

• 現在，各設施都會進行熱失控評估，以確保電池的安全使用。

這些發展凸顯了未來改進的安全標準和消防策略將確保更安全的鋰離子電池應用。

常見問題

1.鋰離子電池安全事故常見原因有哪些？

安全事故通常由熱失控、不當使用或製造缺陷引起，這些因素可能導致過熱、火災或爆炸。

2. 溫度如何影響鋰離子電池效能？

極端溫度會加速老化，增加故障風險。高溫會導致熱失控，而冰凍溫度則會引發鋰沉積，從而降低容量。

3. 使用鋰離子電池時可以採取哪些防火措施？

將電池存放在陰涼乾燥的環境中。避免過度充電或暴露在高溫下。請使用經過認證的充電器並遵循製造商的指南。