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，在放電時候，鋰離子從負極到正極，最終嵌入正極;充電時候，鋰離子從陰極到陽極，最終嵌在負極石墨上。

　　鋰離子來回搖擺，正負極始終不相接觸，通過外電路相連，在鋰離子遷移的同時，外電路相應的電子運動，產(chǎn)生電流。這就是電池的基本奧義，可充電放電。如果正負極直接接觸，造成短路，電能轉(zhuǎn)換成為熱能，就會造成短時間溫度飆升失控，進而燃燒爆炸。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，因為充放電時正極負極材料的微觀結(jié)構(gòu)變化的不可逆，導致整個電芯體系的體積會有所增大，特別是高能量密度和快速充電的電池。高能量密度電芯設計會采用克容量(單位重量可充電量)更高的正負極材料，這些材料的特性之一就是嵌入鋰離子時體積增大程度更甚。電芯膨脹會對隔離膜產(chǎn)生一個擠壓/拉伸作用，這時候隔離膜有較大的破損風險。這次燒的三星note7電池，在現(xiàn)在主流手機廠商/型號中，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。風險不可謂不高。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

　　一個是電芯隔離膜Overhang不夠，一個是電池在充放電時候，因為異物顆粒的緣故，隔離膜受到擠壓，導致隔離膜片破損。電池設計制造從業(yè)者應該從一開始就識別出這種安全風險高的缺陷，并加以防控。特別是對于動力電池來說，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重。

　　Overhang，是指隔離膜多出正負極極片之外的部分，一般會根據(jù)電池極片的寬度加上相應的設計余量來規(guī)定。Overhang的設計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格，因為水分會導致電池在充放電時候產(chǎn)生更多的副反應，消耗電解液，損壞正負極活性表面，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，電芯都會有一個高溫除水的工序，這時候，聚烯烴隔離膜因為熱記憶效應，會產(chǎn)生熱收縮，造成尺寸減小，陰陽極接觸的風險會增加!另外再說異物顆粒。電芯在整個制造過程中，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，正極負極顆粒掉落，機器磨損產(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，擠破隔離膜的風險也不盡相同。異物顆粒較多的電池，往往電壓降較快，使用壽命較短，隨著電池使用時間的增加，這種電芯短路燃燒的風險也更大。如此大的短路風險，是否有方法能夠識別呢?

　　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對電芯進行絕緣性測試。美標/國標針對電器的絕緣性測試是一個擊穿測試，在受測元件的兩端加上一個高電壓，如果絕緣隔離單元存在缺陷或者絕緣性能不夠，就會出現(xiàn)漏電流，視為導通，記錄擊穿電壓。一般絕緣線纜的擊穿電壓要求在2000V以上。電芯進行絕緣性測試時，是進行耐壓測試，通常是規(guī)定一個電壓，加載在電芯兩端，如果電芯阻值小于某個規(guī)定值，即視為短路。

　　對于隔離膜存在缺陷或者因為Overhang不足導致陰陽極直接接觸的情況，這時候的短路電阻一般都在kohm級別以下。對于存在異物顆粒，特別是導電性較好/危險系數(shù)較高的金屬顆粒的情況下，其檢出電阻一般在快接近Mohm級別的水平。耐壓測試一般被認為是無損測試，其測試過程可以等效為一個電容充電過程，在撤去測試電壓后，攜帶電荷會很快散盡。但是在導電顆粒存在的地方，甚至會形成畸變電場，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。