三星電池爆炸部分在隔離膜上 裸電芯絕緣檢測不容忽視

　　鋰電池，全稱鋰離子電池，在放電時(shí)候，鋰離子從負(fù)極到正極，最終嵌入正極;充電時(shí)候，鋰離子從陰極到陽極，最終嵌在負(fù)極石墨上。

　　鋰離子來回?fù)u擺，正負(fù)極始終不相接觸，通過外電路相連，在鋰離子遷移的同時(shí)，外電路相應(yīng)的電子運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生電流。這就是電池的基本奧義，可充電放電。如果正負(fù)極直接接觸，造成短路，電能轉(zhuǎn)換成為熱能，就會(huì)造成短時(shí)間溫度飆升失控，進(jìn)而燃燒爆炸。防止電池內(nèi)部陰陽極短接保證電池使用安全，這就是電池的第二奧義。電池中，隔離陰陽極的組件稱為隔離膜(板)，它是一層具有一定強(qiáng)度的多孔結(jié)構(gòu)高分子聚烯烴膜，也就是一層有孔的塑料。

　　電池在長期使用過程中，因?yàn)槌浞烹姇r(shí)正極負(fù)極材料的微觀結(jié)構(gòu)變化的不可逆，導(dǎo)致整個(gè)電芯體系的體積會(huì)有所增大，特別是高能量密度和快速充電的電池。高能量密度電芯設(shè)計(jì)會(huì)采用克容量(單位重量可充電量)更高的正負(fù)極材料，這些材料的特性之一就是嵌入鋰離子時(shí)體積增大程度更甚。電芯膨脹會(huì)對隔離膜產(chǎn)生一個(gè)擠壓/拉伸作用，這時(shí)候隔離膜有較大的破損風(fēng)險(xiǎn)。這次燒的三星note7電池，在現(xiàn)在主流手機(jī)廠商/型號(hào)中，能量密度是最高的(見下表，數(shù)據(jù)來自各官網(wǎng)資料)，還都使用了1.2C快充。風(fēng)險(xiǎn)不可謂不高。按照三星之前的分析，SDI電池起火的有一部分原因就壞事在隔離膜上。

主流廠商電池對比

　　一個(gè)是電芯隔離膜Overhang不夠，一個(gè)是電池在充放電時(shí)候，因?yàn)楫愇镱w粒的緣故，隔離膜受到擠壓，導(dǎo)致隔離膜片破損。電池設(shè)計(jì)制造從業(yè)者應(yīng)該從一開始就識(shí)別出這種安全風(fēng)險(xiǎn)高的缺陷，并加以防控。特別是對于動(dòng)力電池來說，幾十甚至上百倍的單體容量，一旦發(fā)生短路，產(chǎn)生的能量失控釋放后果是更加嚴(yán)重。

　　Overhang，是指隔離膜多出正負(fù)極極片之外的部分，一般會(huì)根據(jù)電池極片的寬度加上相應(yīng)的設(shè)計(jì)余量來規(guī)定。Overhang的設(shè)計(jì)要考慮電芯制造過程和使用過程中隔離膜的尺寸變化。

　　比如，現(xiàn)有鋰電池體系對于電芯內(nèi)部的水含量要求比較嚴(yán)格，因?yàn)樗謺?huì)導(dǎo)致電池在充放電時(shí)候產(chǎn)生更多的副反應(yīng)，消耗電解液，損壞正負(fù)極活性表面，改變活性物質(zhì)結(jié)構(gòu)等，使電池的可充放電性能下降，縮短電池使用壽命。

　　所以，電芯都會(huì)有一個(gè)高溫除水的工序，這時(shí)候，聚烯烴隔離膜因?yàn)闊嵊洃浶?yīng)，會(huì)產(chǎn)生熱收縮，造成尺寸減小，陰陽極接觸的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)增加!另外再說異物顆粒。電芯在整個(gè)制造過程中，非常容易帶入異物顆粒，比如：隔離膜來料異物，隔離膜處理引入，正極負(fù)極顆粒掉落，機(jī)器磨損產(chǎn)生金屬顆粒，空氣塵埃，員工操作引入等。這些顆粒由于導(dǎo)電性能，顆粒大小，顆粒硬度，顆粒表面幾何形狀等，擠破隔離膜的風(fēng)險(xiǎn)也不盡相同。異物顆粒較多的電池，往往電壓降較快，使用壽命較短，隨著電池使用時(shí)間的增加，這種電芯短路燃燒的風(fēng)險(xiǎn)也更大。如此大的短路風(fēng)險(xiǎn)，是否有方法能夠識(shí)別呢?

　　參考沿用電子電器行業(yè)的絕緣性測試方法，現(xiàn)在大部分的電池廠都會(huì)對電芯進(jìn)行絕緣性測試。美標(biāo)/國標(biāo)針對電器的絕緣性測試是一個(gè)擊穿測試，在受測元件的兩端加上一個(gè)高電壓，如果絕緣隔離單元存在缺陷或者絕緣性能不夠，就會(huì)出現(xiàn)漏電流，視為導(dǎo)通，記錄擊穿電壓。一般絕緣線纜的擊穿電壓要求在2000V以上。電芯進(jìn)行絕緣性測試時(shí)，是進(jìn)行耐壓測試，通常是規(guī)定一個(gè)電壓，加載在電芯兩端，如果電芯阻值小于某個(gè)規(guī)定值，即視為短路。

　　對于隔離膜存在缺陷或者因?yàn)镺verhang不足導(dǎo)致陰陽極直接接觸的情況，這時(shí)候的短路電阻一般都在kohm級(jí)別以下。對于存在異物顆粒，特別是導(dǎo)電性較好/危險(xiǎn)系數(shù)較高的金屬顆粒的情況下，其檢出電阻一般在快接近Mohm級(jí)別的水平。耐壓測試一般被認(rèn)為是無損測試，其測試過程可以等效為一個(gè)電容充電過程，在撤去測試電壓后，攜帶電荷會(huì)很快散盡。但是在導(dǎo)電顆粒存在的地方，甚至?xí)纬苫冸妶?，產(chǎn)生尖端放電，將隔離膜擊穿，電壓越高，這種表現(xiàn)越明顯，顆粒檢出的概率就越高。