行動電源安全隱憂!電池原理與安全性探究:金屬鋰活性高,做好防護才是好產品

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鋰離子電池構造

目前的鋰離子電池大致上可分為2種,其一是外型類似常用3號電池的圓筒狀,較為人所知就是18650電池,其型號數字來源就是外觀尺寸,直徑18mm、高度65.0mm。另一種形狀比較不固定,能夠根據產品需求設計外型的鋰離子電池稱之為鋰離子-聚合物電池,時常簡稱為鋰聚合物電池,電解質改用膠體,不像一般18650鋰離子電池需要硬式外殼固定內部結構,其命名規則為「厚寬長」,如402050就代表這顆電池4.0mm厚、20mm寬、50mm長。不過有時也可見到包裝成方形的鋰離子電池,所以正確的電池種類應該要以電池上的文字為主。

圓筒狀的鋰離子電池,其內部結構比較像電解電容,都是由較長的金屬片繞曲而成,繞曲結構能夠獲得更大的反應面積,反而跟一般常見的3號、4號電池的同心圓結構有顯著的差異。與電容相同,都是以正極-隔膜-負極-隔膜的方式組合而成。正極以薄鋁片為基底,在上面貼上正極材料(鎳酸鋰LiNiO2、鈷酸鋰LiCoO2、錳酸鋰LiMn2O4、磷酸鐵鋰LiFePO4、由鎳鈷鐵不同比例組合的三元材料)製成,且有時正極材料會因為某些因素(如防止鋰離子Li+過度脫嵌),而參入一些其他的物質。負極材料則是以薄銅片為基底,其上覆有1層炭膜,以及些許的磷、鉀、鋁、鎵等物質,為的是撐開炭的結構,使得能夠插入更多的鋰離子Li+,或是進行表面處理,防止電解質的共插入,維持電池性能。隔膜部分則是以棉紙、尼龍、石棉、微孔塑膠等具有微小孔隙的機械結構材料所組成,孔洞的設計是為了讓鋰離子Li+通過。

磷酸鐵鋰的電壓

使用磷酸鐵鋰為正極材料的鋰離子電池,也就是一般所稱的鋰鐵電池,因為不含較貴的金屬鈷材料,以及充放電循環壽命較長、高溫環境較穩定等優點,近年逐漸受到重視。但是由於電壓自成一格(3.2V),無法直接套用現有電路設計,需為其電壓特性重新設計。

電解質部分則扮演傳遞正負極之間鋰離子Li+的角色,所以一般以有機溶劑加上鋰鹽所組成。鋰離子聚合物電池則是將有機溶劑換掉,變更成聚乙二醇PEG或是聚丙烯腈PAN,將鋰鹽吸附在其上成為膠體電解質。

行動電源安全隱憂!電池原理與安全性探究:金屬鋰活性高,做好防護才是好產品

筒狀鋰離子電池的結構簡圖,由於解剖電池有著高度危險性,請各位讀者在家勿輕易嘗試。

電池安全構造

由於鋰的活性大,部分電解質材料甚至具有爆炸性,如LiClO4,因此鋰離子電池的安全性防護就顯得相當重要。一般鋰離子電池有2個部分能夠在有問題的情況下做出保護,第一個部分就是用來隔離正負極的隔膜,隔膜一般來說有著高溫融化的的要求,能夠將孔隙關閉,避免鋰離子Li+繼續通過產生反應,也就從而避免熱繼續產生。

第二部分也就是鋰離子正極的安全閥,這個安全閥就像我們一般在超級市場裡看到的玻璃罐頭真空安全閥相當類似,在一般正常狀態下,這個安全閥是往電池內部凹陷,碰觸到電池內部的正極,如同玻璃罐頭真空安全閥往內部凹陷;如果當電池內部壓力過大,壓力就會將此安全閥往外推,使得正極斷路,電池也就不會繼續輸出能量,如同內部已腐壞的玻璃罐頭,蓋子的金屬真空安全閥會往外突出。

部分鋰離子電池還會隨身附帶1片細小的PCB電路板,這片電路板主要的功能就是防止電池過充、過放、短路的安全措施,如果電池上沒有這片小型電路板,則最好額外以外部電路防護,因為過充容易讓電池的負極形成「鋰枝晶」,這可不像荔枝玉荷包這麼香甜好吃。鋰枝晶的形成原因在於鋰在負極某部分區域的過度堆積,若累積到一定程度刺破隔膜,導致電池內部正負極直接連結,電池很有可能爆炸;鋰枝晶的生成原因還包括充放電過程中,正負極表面電流不均勻所造成,但是這就和電池製造品質比較有關了,諸如正負極材料塗佈均勻度、封裝時的壓力不均等。

鋰離子的電池化學式

鋰離子電池的正負極反應的中文名稱非常好玩,在電池放電時,鋰離子脫離負極稱為「脫插」、鋰離子進入正極稱為「嵌入」;同理,充電時鋰離子脫離正極稱為「脫嵌」、鋰離子進入負極稱為「插入」。筆者以正極採用鈷酸鋰LiCoO2的鋰離子電池做為示範,其正負極充放電的化學式如下:

正極充電:LiCoO2 → Li1-xCoO2 + xLi+ + xe

負極充電:xLi+ + xe + 6C → LixC6

正極放電:Li1-xCoO2 + xLi+ + xe → LiCoO2

負極放電:LixC6 → xLi+ + xe + 6C

電量正確計算法

去年5月13號我們的行政院消費者保護處做了件大事,就是公布了隨機取樣的20件市售行動電源的測試結果,結果竟然大張旗鼓的說全部不合格,在驚訝之餘仔細看了報告,卻發現有些奇怪的事情,報告中最大放電容量竟然使用CNS 14857-2 7.2.1節的說明測試,完全沒有想過這個測試方式僅適合電池芯,不適合需要經過電壓轉換的行動電源。

筆者稍微解釋一下電池的容量的計算方式,大家就會理解這個測試報告多麼奇怪。標準是以1顆電池在0.2C的放電速率下,在電池達到截止電壓(截止電壓可由廠商自訂)或是無法繼續以0.2C放電時,電池一共可供應多少的容量,常用單位為mAh。有時我們可以在電池上看見xxWh的字樣,這是乘上電壓後的結果,也代表這顆電池實際能夠放出的總電量(能量)為多少。也就是說一般使用的3號1.2V鎳氫電池和18650鋰離子電池,當標示容量皆為2000mA時,鋰離子電池所能放出的能量是3號鎳氫電池的3倍有餘,因為電壓差了3倍多。所以聰明的你經過筆者說明之後,應該知道消保處做行動電源容量測試的bug在哪裡了吧。

業者在做鋰離子電池容量標示的時候,會將電池以0.2C的速率放電至2.xV停止之後,計算電池總容量,再將此容量乘上鋰離子電池放電均壓3.6V或是3.7V,就得出這顆電池所能儲存和放電的總電量(實際測量方式每家廠商可能會有些不同,但在電池的規格表中會寫明量測條件)。

由於行政院消保處測試電量的接點應是從行動電源的USB埠接出,並非直接量測內部電芯,所以有電壓轉換和轉換效率的問題,使得量出來的容量明顯偏低,所以發佈出來的容量測試結果並不精確。正確行動電源的儲存和放電能量,應使用商品標示容量乘上3.7V後的電量,跟USB埠量測到的容量乘上5V(USB電壓標準5V±5%)的電量進行比較,這才是比較正確的做法。

行動電源轉換效率=(USB埠輸出容量×平均USB埠放電電壓)÷(產品標示容量×鋰離子電池平均放電電壓)×100%

但筆者也相信行政院消保處測試時一定有人覺得測試方法詭異,這又帶出了1個問題,我國到目前為止並沒有對行動電源這類產品有詳細的轉換效率規範,未來即將強制實行的BSMI認證也僅有安全和射頻干擾規範而已(廠商以轉換前的電池容量標示,而非轉換電壓後的容量標示,其實也要負一部分誤導消費者的責任)。

行動電源安全隱憂!電池原理與安全性探究:金屬鋰活性高,做好防護才是好產品

看到這份報告的電容量測試結果真的是哭笑不得,文後還特別註明放電電流使用商品上的標示,而不是使用0.2C(如果1個20000mAh的行動電源,單埠輸出0.2C/4A電流你敢買嗎?)。

行動電源安全隱憂!電池原理與安全性探究:金屬鋰活性高,做好防護才是好產品

目前已有誠實的廠商自行在產品或是外包裝上註明放電的實際容量或電量,消費者就能比對電池電量和實際輸出電量,了解產品的轉換效率。

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Gard Charge
3.  Gard Charge (發表於 2018年8月14日 15:27)
您好我們是玖邦科技股份有限公司
我們目前正在撰寫關於USB智慧電錶的中文教材,想引用您的兩篇文章,不知是否可行?
引用文 1. https://www.techbang.com/posts/17596-security-concerns-battery-principle-and-safety-research-high-activity-of-metallic-lithium-good-defence-is-good-products-computer-king-117-group-test-in-may?page=1#_=_

2. https://www.techbang.com/posts/17375-packaged-or-bulk-good-diy-power-supply-box-on-selected-actions-18650-battery

公司產品 http://www.joybien.com/product/P_BT4(GardCharge).html
若您想了解此產品,我們非常樂意寄送一個給您

感謝

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