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干货 | 细说锂电池安全的“来龙去脉”

发布时间： 2024-01-24 09:02:51 <<返回

细说锂电池安全的“来龙去脉”

锂电池类型介绍

锂电池主要有3种类型，包括锂金属电池、锂离子电池、同时含有锂金属原电芯和锂离子电芯的电池。锂金属电池是指利用金属锂作为负极的电池，与其相搭配的正极材料可以是氧气、单质硫、金属氧化物等物质。我们平常说的锂电池一般指的是锂离子电池，准确地说是“二次锂离子电池”，主要材料包含了正极、负极、电解液和隔膜。

锂离子电池结构示意图

主要组成部分解读

锂电池

正极

正极采用嵌锂的过渡金属的氧化物，目前主要是钴酸锂、镍酸锂（多用作三元材料）、锰酸锂和磷酸铁锂（多用作动力电池）。

锂电池

负极

负极目前主要是碳基材料，多为人工石墨或天然石墨。

锂电池

隔膜

隔膜是电解质的载体，一般是聚乙烯或聚丙烯的单层微孔膜，或者二者的复合多层微孔膜。隔膜性能决定了电池的内阻和界面结构，进而决定了电池容量、充放电电流密度和循环性能等关键特性。隔膜要有良好的电子绝缘性和隔离性，同时有一定的孔径，能保证锂离子的良好穿透性。

锂电池

电解液

电解液是电池中离子传输的载体，一般由锂盐和有机溶剂组成。电解液在锂电池正、负极之间起到传导离子的作用，是锂离子电池获得高电压、高比能等优点的保证。

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锂电池工作原理

锂离子电池根据所谓“摇椅理论”工作运行，充放电时，锂离子像摇椅一样在电池正负极中摇来摇去，往返进出，因此锂离子电池也被称为“摇椅电池”。

钴酸锂电池工作原理示意图

以钴酸锂电池为例，正极为钴酸锂（LiCoO2），负极为石墨碳（C6），充电时锂离子（Li+）从正极脱嵌，经隔膜到负极后嵌入碳分子中；放电时反之。

锂电池安全性

锂离子电池是高能量、长寿命的移动能源，但有一定安全隐患。锂离子电池性能取决于材料、设计和工艺控制，其安全性是一个综合性问题，要从电池材料体系、结构设计和工艺控制等方面着手解决。

影响锂电池安全性主要有以下因素

一是内部因素。主要是内部短路，比如正负极片上微粉或凸点刺穿隔膜，引起内部短路；或是粘结剂不合格，产生掉粉，形成毛刺造成隔膜穿刺，导致内部短路。

二是外部因素。过充是造成锂电池爆炸的主要原因，此外外部短路、温度过高、受到外力冲击或挤压等也可能导致爆炸。

三是电池芯的内部结构。这是电池品质关键所在，也是电池安全的最后防线，优质的隔膜纸能够隔开正负极防止过度充电，由于其孔径更小，因此也不易被刺破。运行有效的限压阀也能在电池过热时及时释放压力，避免压力过大引起爆炸。

国内外产品标准及指令要求

随着锂电池造成的安全事故频发，人们对锂电池的安全隐患都有了深刻认识，各国陆续制定完善相关标准或准入指令，监管锂电池质量。

锂电池包装要求

锂电池属第9类杂项危险货物（杂项危险物质和物品，包括危害环境物质），联合国编号涉及UN3090、UN3091、UN3480和UN3481等。锂电池运输时包装有3种方式：单独运输、与设备包装在一起运输以及安装在设备中运输。

符合以下指标的锂电池应按照危险货物进行申报，并按照对应的包装导则进行运输

1.锂金属电池或锂合金电池，锂含量大于1克，对于锂金属或锂合金电池组，合计锂含量大于2克。

2.锂离子电池，瓦时额定值超过20Wh，对于锂离子电池组，瓦时额定值超过100Wh。

相关危险货物包装单证

使用危险货物包装的锂电池，出口前应当向属地海关申请出口危险货物包装性能检验和使用鉴定，取得《出入境货物包装性能检验结果单》《出境危险货物运输包装使用鉴定结果单》。使用未经鉴定或者经鉴定不合格的包装容器的危险货物，不准出口。

相关国际危险货物规则

在出口时应满足联合国《联合国关于危险货物运输建议书规章范本》（TDG）、国际海事组织《国际海运危险货物规则》（IMDG）、《国际铁路运输危险货物规则》（RID）、《国际公路运输危险货物协定》（ADR）、《国际民用航空组织危险品规则》（IATA-DGR）、联合国《关于危险货物运输的建议书规章范本试验和标准手册》等有关国际危规的要求。

根据上述规定锂电池

主要有以下包装运输要求

一是包装上需要张贴规定的锂电池标签和标记，电池外壳需要标注Wh数值。如果采用危险货物包装，外包装上的联合国UN包装标记、批次及危险货物标志、标记、标牌等信息应印刷清晰、粘贴牢固、拼写正确。

二是电池的电极不应承受其它电池叠加产生的压力。

三是木箱、纤维板箱用钉紧固时应钉实压紧，箱体保持完好，钉尖要盘倒，钉尖、钉帽不得突出；瓦楞纸箱应完好无损，封口应平整牢固。用打包带做二次加固，应紧箍箱体。

四是各电池或电池组间、堆叠电池的上下层间，应有不导电材料分隔，防止与同一包装件内可能导致短路的导电材料接触。

五是除非安装在设备中，包装件须能承受任何取向的1.2m的跌落试验，而不损坏包装件内的电池，也没有改变其中电池的位置导致电池之间互相接触，没有电池自包装件中漏出。

六是锂电池芯或锂电池完全封装于内包装后再放入外包装，其完整包装件必须满足II类包装要求；或完全封装于内包装中，然后与设备一起放入满足II类包装要求的外包装（II类包装要求详见《SN/T 0370.1-2021出口危险货物包装检验规程第1部分：总则》）。

七是对于锂电池安装在其中的产品应当采取措施防止短路或意外启动，产品应有效固定以免因电池移动而导致短路。

八是国际规章中对锂电池或锂电池组包装的特殊规定。

空运新规解读

经过修订的《国际民用航空组织危险品规则》第63版中有关单独运输锂电池的规定，自2022年4月1日正式实施。新规要求所有的空运锂电池包装上必须同时标出仅限货机标签和锂电池专用9类危险货物标签。

对于瓦时额定值不超过20Wh的锂电池芯或瓦时额定值不超过100Wh的锂电池组，包装上还需额外标出锂电池标记。按旧规定粘贴仅限货机标签和锂电池标记的包装件将无法继续运输，且标签和标记必须符合国际航空运输协会规定的尺寸要求。这一变化不适用于包含在设备中或与设备一起包装的航空运输，上述公路、铁路、海运的相关运输法规没有发生变化。

新规推行后，小包装的锂电池将不得不改用较大尺寸的包装，以便粘贴符合新规要求的标签和标记，这将给锂电池出口企业增加更多的包装成本和运费，给我国锂电池出口带来一定负面影响。