以手机电池系统为例,过充防护系利用充电器输出电压设定在4.2V左右,来达到第一层防护,这样就算电池组上的保护板失效,电池也不会被过充而发生危险。第二道防护是保护板上的过充防护功能,一般设定为4.3V。这样,保护板平常不必负责切断充电电流,只有当充电器电压异常偏高时,才需要动作。过电流防护则是由保护板及限流片来负责,这也是两道防护,防止过电流及外部短路。由于过放电只会发生在电子产品被使用的过程。因此,一般设计是由该电子产品的线路板来提供第一到防护,电池组上的保护板则提供第二道防护。当电子产品侦测到供电电压低于3.0V时,应该自动关机。如果该产品设计时未设计这项功能,则保护板会在电压低到2.4V时,关闭放电回路。
总之,电池系统设计时,必须对过充、过放、与过电流分别提供两道电子防护。其中保护板是第二道防护。把保护板拿掉后充电,如果电池会爆炸就代表设计不良。
上述方法虽然提供了两道防护,但是由于消费者在充电器坏掉后,常会买非原厂充电器来充电,而充电器业者,基于成本考虑,常将充电控制器拿掉,来降低成本。结果,劣币驱逐良币,市面上出现了许多劣质充电器。这使得过充防护失去了第一道也是最重要的一道防线。而过充又是造成电池爆炸的最重要因素,因此,劣质充电器可以称得上是电池爆炸事件的元凶。
当然,并非所有的电池系统都采用如上图的方案。在有些情况下,电池组内也会有充电控制器的设计。例如:许多笔记型计算机的外加电池棒,就有充电控制器。这是因为笔记型计算机一般都将充电控制器做在计算机内,只给消费者一个适配器。因此,笔记型计算机的外加电池组,就必须有一个充电控制器,才能确保外加电池组在使用适配器充电时的安全。另外,使用汽车点烟器充电的产品,有时也会将充电控制器做在电池组内。
最后的防线
如果电子的防护措施都失败了,最后的一道防线,就要由电芯来提供了。电芯的安全层级,可依据电芯能否通过外部短路和过充来大略区分等级。由于,电池爆炸前,如果内部有锂原子堆积在材料表面,爆炸威力会更大。而且,过充的防护常因消费者使用劣质充电器而只剩一道防线,因此,电芯抗过充能力比抗外部短路的能力更重要。如果,外部短路不会爆炸的电芯,可以得到一颗星。而过充不会爆炸的电芯,可以得到两颗星。那么电芯的安全等级,就有零颗星到三颗星,四种等级。日本制和台湾制的电池芯,通常都可达到三颗星的最高等级,中国制的电芯就参差不齐。下表为市场上常见锂电芯的安全等级。
安全等级 过充不爆炸 短路不爆炸 代表厂商
★★★ O O 日本厂、能元、宜电等
★★ O X
★ X O 大陆一、二级厂
☆ X X 大陆二、三级厂
电芯抗外部短路的方法,通常包括使用高质量的隔膜纸和采用压力阀两种措施。其中高质量的隔膜效果最好,外部短路时超过百分之九十九的电池不会发生爆炸。压力阀则有副作用。例如电池过充时,压力阀如果太早破裂,会让氧气进入导致爆炸。另外,中国制压力阀的精密度非常不可*。中国铝壳厂生产的铝壳,不到一成的压力阀会在业者宣称的压力范围内起作用,可*度只有百分之一、二。因此,对组装厂而言,要确保电池不会发生短路爆炸,最好的方法还是直接作实验。只要将电池充饱电,再放入防爆箱中短路即可判定抗短路的能力。
电池芯抗过充的方法则非常复杂,必须考虑化学配方、外壳机械特性、及配套的电子组件。一般系利用电池过充到某个电压时,让添加物开始发生反应,一方面增加内阻,一方面将电能转为热能,以达到1C/12V过充6小时,不会爆炸的安全水平。对于串并用的电池,有时还会再加上配套的电子组件或精密的压力阀。
目前中国制电芯约近半数可以通过短路测试,但是绝大多数都无法通过过充测试。又由于电子防护方面,最容易崩溃的防线是过充防护,而过充所衍生的爆炸也最严重。因此,电池芯的抗过充能力,是相关业者在选择电池芯时,重点中的重点。对单颗使用的电池而言,至少要能达到1C/6V过充6小时不爆炸。对串联使用的电池,至少要能通过1C/12V过充6小时。这样才能在消费者使用劣质充电器的情形下,确保电池组的安全。
责任归属
电池组发生爆炸事件时,分析爆炸原因,是判定责任归属的第一步。如果是短路爆炸且短路的部位在电池组的外部,这必然是两道电子防护都失效且电芯也未能通过短路的考验。这时保护板厂商、电芯厂商、PTC厂商、与组装厂商都有责任。但是这种情况发生的机率不高。如果短路的部位在电池组的内部,最可能的导因是绝缘失效且电芯未能通过短路的考验。因此,组装厂与电芯厂都有责任。如果是过充爆炸,通常导因于充电器电压过高、保护板因温度过高而暂时性或永久性的失效、且电芯未能防过充。由于所有电芯厂都只保证电芯短路时不爆炸,
而不保证过充时不爆炸。组装厂也都会于产品上标示,『只能用原厂充电器』。因此,充电器厂与通信行的责任最大,保护板厂商与组装厂次之。有非常多的充电器,虽然标示的输出电压在4.2V左右,实际电压则超过5V。这种情况下,责任显然在充电器厂与通信行。如果充电器厂商如实的标示高于5V的电压,结果通信行还把它卖给消费者当手机充电器,那么通信行就要负最大的责任了。
鉴定电池组爆炸原因的专业度非常高,而且费用不訾。由于组装厂在整个供应链里,扮演者将电芯变安全的角色。因此,在责任不清时,常需先负担该费用。因此,选用安全性高的电芯,尤其是抗过充的电芯,对组装厂至为重要。
消费者注意事项
锂离子电池系统如果设计得当,对于过充、过放、过电流都有两道电子防护,而且电芯也通得过短路测试与过充测试。那么,安全性应该无虞,消费者可以安心的使用。
买充电器时,最好买原厂的充电器。买非原厂充电器,不要轻信厂商标示的输出电压值。应请通信行用电表量一下充电座的输出电压值,电压低于4.3V才可使用。必须使用电压高于4.3V的充电器时,最好是插在手机尾部充电。切勿将非原厂电池组放在非原厂的充电座上充电,多数的爆炸都是这样发生的。