锂离子电池在使用中操作安全

安全测试和监控

这些测试是在新的或接近新的锂离子电池上进行的，而不是在可能已经过了使用期的电池组上进行的。制造商对电池的安全负最终责任。UN/DOT 38.3 要求对锂离子电池进行适航性测试，以承受高空模拟、热、振动、冲击短路、冲击、过度充电和强制放电检查。劳动力中的安全验证似乎被忽视了；一切努力都在审批之前；之后的批准超出了范围。

毕业前的认可就像学生接受学术知识准备就业的生活，毕业前有考试来检验他们的理解程度；批准后代表用户独立的劳动力，通常很少有指导。规则变得模糊。不得不依赖于每次循环都会降低容量的电源，这促使用户提出疑问：“我应该多久测试一次电池？多少备用容量就足够了？我应该更换多大容量的电池？”

随着越来越多的锂离子电池也被大规模使用，有人提出了这样一个问题：“一旦电池过了使用期，是否应该采取更多措施来确保持续的安全性？” 基于维护的系统将在现场监控电池，并向用户建议可能危及安全的新出现的缺陷，而不是将所有努力都放在批准前阶段。锂离子电池的独特之处在于它可以在继续提供完整性能的同时隐藏缺陷。一座有缺陷的建筑物或一座被腐蚀的桥梁的反应不同，因为结构会显示出可见的应力标记，从而可以采取安全措施；Li-ion 没有给出这样的事先警告。尽管进行了严格的测试，仍有锂离子电池起火的报道，这些违规行为引起了医疗保健、国防和通信领域的严重关注。

锂离子电池的持续安全性可归纳为三类：

1. 产品认证。此背书可确保电池在从出生到毕业期间的安全性。该批准提供了新电池的快照；但是，无法准确预测磨损和极端使用导致的性能下降。
2. Field Diagnostics代表从劳动力到退休人员，以在电池使用期间观察异常情况。通过使用高级算法将监控功能添加到充电器或设备中，可以进行改进，这些算法将警告用户未决情况。
3. 减少危害。并非所有故障都是可以避免的，如果发生热事件，电池应设计为通过防止从一个电池传播到另一个电池来最大程度地减少损坏。

产品认证为将锂离子电池投放市场开了绿灯；它还支持空运。但是，维护问题只会在产品使用一段时间后出现。电池应该像飞机或机器中的关键部件一样接受类似的处理，在这些部件中，磨损属于指导方针。当电池暴露在高温、超快速充电、冰点以下充电、严苛负载和振动等压力条件下时，这一点尤为重要。

为了保持在红线以内，锂离子电池的选择在设计过程中很重要。Energy Cell提供高比能量，但提供适度的负载电流并且需要较长的充电时间。Power Cell保留用于高负载电流，也可以实现更快的充电，但容量会降低。对于镍镉 (NiCd) 系统而言，针对特定应用定制电池的需求并不常见。一种类型服务于大多数用途。

处于故障模式的受损锂离子电池比铅基和镍基系统更为关键。必须认真对待锂离子电池中的分离器损坏，因为大多数火灾都是由可能导致电气短路的分离器故障引起的。镍镉在这方面更宽容。隔膜会因高循环次数和结晶形成（记忆）而受到严重损坏，以至于电池会在 8 小时内自行放电。

当由于超快速充电、苛刻负载或低温充电而形成枝晶时，锂离子电池也会发生高自放电。众所周知，以低充电状态存储锂离子电池会生长枝晶。然而，锂离子电池制造商最担心的问题之一是异物聚集在一处。已经进行了改进，但他们报告说，复杂的装配技术使消除所有金属粉尘成为一项挑战。具有仅 20µm 或更小（20 千分之一毫米）超薄隔膜的电池比旧设计更容易受到杂质的影响。

锂离子电池中受损的隔板可能只会导致自放电轻微升高。对于大多数电池，这种情况保持稳定，但在极少数情况下，故障线会发展成在电池电极之间流动的相当大的电流。该点可能会升温并进一步削弱分离器，直到它发展成电气短路。一个类比是一个有故障的水坝中的小水泄漏，它可以变成洪流并摧毁结构。短路的锂离子电池的温度会迅速达到 500°C (932°F)，此时电池会着火或爆炸。热失控被称为“火焰排放”。一旦进行，事件就无法停止，需要烧尽。

电池制造商与半导体行业共享清洁度标准。芯片制造商已花费数百万美元来减少可能导致晶圆损失的颗粒。世界上最好的洁净室是 ISO 4（10 级），这意味着存在不超过 10,000 个大于 0.1 微米 (µm) 的颗粒。即使在这么低的水平，粒子仍然会影响半导体晶圆。电池通常是在控制不那么严格的洁净室中制造的，清洁度可能需要提高到与半导体制造相同或更好。

一级供应商承认锂离子电池存在火灾风险。他们建议的预防措施包括在并联配置中限制电流以使短路电池无害，在电池容量衰减时降低充电电压，提供可追溯至电池和电池组级别的批号，构建一个电池组以防止电池之间的传播火灾，并使废气逸出，同时防止火灾泄漏到电池组外部。

一级供应商还透露，循环会增加电极的压力。阳极随着使用而变厚，这进一步增加了隔膜上的压力。对于无法完全避免的异物，一级供应商确认锂离子电池的正常使用会在个别情况下导致电气短路。由于客户要求更高的容​​量并始终保持所需的安全水平，一级供应商建议降低充电电压以调整容量衰减，如下所示：

• 100–70% 容量应用全部 4.20V/电池（4.35V/电池或某些电池更高）
• 70–50% 容量将电压限制降低至 4.15V/cell（4.35V/cell 至 4.25V/cell）
• 50% 和更低的容量，将电压降低到 3.8V/cell。

抽象的

锂离子电池偶尔会过热和着火，这是工业界的一个大问题。监管批准是艰难的，但一旦被接受并盖章；官员洗手，把照顾的责任交给用户。审批程序主要针对出生到毕业；在电池被批准为退休劳动力的一部分后，几乎没有规律性要求。虽然这适用于更良性的铅基和镍基电池；锂离子有明确的红线，必须遵守。

本文涉及审批流程，并提出了现场监测锂离子电池的方法，以检测在环境压力下可能出现的异常情况。所有电池都会老化，但锂离子电池的特性变化尤其令人头疼。观察异常的一种方法是在充电器和电池供电设备中加入诊断功能，这种方法可以在不增加物流的情况下提高安全性。本文还讨论了锂离子电池的选择以满足负载曲线和环境暴露。这些考虑可能有一天会在批准过程中发挥作用，以确保电池在安全带宽内运行。