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[交流] 【其他】?碾妱榆囅到y產品應用的角度看鋰電池的安全問題

?碾妱榆囅到y產品應用的角度看鋰電池的安全問題 2009/11/17 [ [url=

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由於�?能和環保的全球趨勢，電動車的發展勢在必行，而其中最具關鍵的動力鋰電池技術則是左右電動車能否商品化的關鍵。目前動力鋰電池的開發，除了性能持續提升外，最關鍵的問題則是成本的降低和安全性能的提升，其中成本的降低可經由採用較低成本的原物料與材料和電池的大規模生產?磉_到量高價低的目標，但電池的安全性則必須經由在產品開發階段安全設計的導入和經由不斷的測試驗證?硖岣撸瑔我徊牧匣螂姵貦C構設計及電子控制技術將很難完全解決電池安全的問題，而如何?南到y產品的角度?斫鉀Q安全性問題，是促使動力鋰電池及電動車能否�?際商品化的關鍵。
鋰電池的安全性
造成鋰電池產生安全性的問題主要?碜噪姵卦诓僮鬟^程中產生非正常狀況的熱，而造成非正常熱的產生大都起因於電池內部或外部短路、過充電或過放電、過低溫或過高溫等不正常操作環境或條件的產生。
溫度是影響電池安全相當重要的參數，在低溫下進行充電很容易造成鋰金屬在電極表面析出，而在低溫且過低電壓的狀況下，電池負極的碳材料也很容易溶解，此狀況的產生會對電池的壽命及安全產生影響。此外，電池在過高電壓、過高電流和過高溫度的操作狀況下，皆會導致電池內部的溫度持續升高，如有過多的熱聚集在電池的內部且持續增加，將會使電池溫度進一步升高，導致如內部短路、電解液分解、內壓上升等接續性的反應發生，當電池內部溫度到達180℃以上時，將會開始引發正極材料（金屬氧化物）的分解，而分解所產生的氧和分解熱將會使溫度急遽的增加，造成電池的爆炸與燃燒，此現象稱為熱爆走(Thermal Runaway)，產生此危險狀態的關鍵則是電池內壓因材料分解而升高，進而導致爆炸，或電池因材料分解釋放出氧氣及可燃性電解液系統，因溫度升高而導致燃燒。
如何增進動力鋰電池系統的安全性
動力鋰電池在電動車的應用發展主要有四個不同的階段，其中包含材料、電池的設計製造、電池模組及電池系統（圖四）。以電動車的應用而言，儲能電池系統的發展則需涵括電池技術、電池模組管理技術及能量系統管理與控制技術。因此，以電動車系統應用的角度?砜翠囯姵氐陌踩詥栴}，就必須?牟牧稀㈦姵匮u造和電池模組系統端?磉M行產品安全的設計。

圖四、電動車用鋰電池的發展－?牟牧系较到y
高安全性材料是提升動力鋰電池安全性的關鍵，過去較為大家所關心的是正極材料，如鋰鈷和鋰鎳金屬氧化物的安全性，由於鋰鈷和鋰鎳金屬氧化物在180°C 以上的溫度會分解而釋放出大量的熱和氧，造成電池溫度的突升，使得在設計動力電池時，無法達到安全的需求，但目前在動力鋰電池的發展上，主要採用鋰錳 (LiMn2O4)和磷酸鋰鐵(LiFePO4)做為正極材料，此兩種正極材料系統除了安全性的考量外，也有成本上的發展優勢。
電池內部機構的設計也是動力鋰電池產品安全設計的重要項目之一，由於動力電池需具有高容量和大電流充放電的能力，因此在電池操作的過程中如何降低電池內部在進行離子和電子氧化還原反應所產生的熱，便是電池在安全設計上的重點，簡單地說，如何降低電池內部的阻抗、減少熱耗是動力鋰電池的安全設計重點。
電池模組系統的電子控制管理技術，也是保護電池在安全操作條件，提升最終端產品電池模組系統安全性的重要關鍵技術之一。電池模組管理系統(Battery Management System; BMS)主要是對電池進行電流、電壓和溫度進行電子的監測，當所監測到的電流、電壓或溫度超過安全的操作標準值，BMS會將�?號傳送給電動車整車控制系統，?K經由本身的安全控制策略進行電池系統的保護，以防止安全問題的發生。
電池系統的安全測試與驗證
在動力鋰電池的產品開發上，產品的安全設計有其重要性，但發展合適的安全測試和驗證的方法，?K建立國際化的安全認證標準對產品的開發和健全的市場成長則是重要的手段。目前針對鋰電池的安全認證標準主要有針對單元電池的UL1642 和電池組的UL2054，而此兩項測試標準主要皆是針對攜帶式3C電子產品的小型鋰離子電池，其測試的方法和項目?K無法符合電動車�?際可能發生的危險狀況。
表一列出鋰電池模組安全可能需要的測試項目，目前在電動車應用上的電池安全測試於美國、中國大陸和日本皆有不同的協會或組織正對鋰電池安全測試的項目和標準進行討論，?K有相關草案的發行；在輕型電動車則有BATSO (www.batso.org)組織推動BATSO-1的鋰電池安全測試標準……詳細全文請見原文
表一、鋰電池模組安全測試項目

作者：楊模樺/達振能源股份有限公司
★本文�?錄自「工業材料雜誌275期」，更多資料請見：http://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=8169

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