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      鋰—亞硫酰氯單體泄爆原因及思考

      2014-12-31 00:00:00李成進(jìn)
      數(shù)字化用戶 2014年21期

      【摘 要】針對某型鋰-亞硫酰氯單體電池在安全性試驗中出現(xiàn)泄爆問題,分析其產(chǎn)生的原因,對即將研制新鋰電池進(jìn)行適當(dāng)規(guī)劃,提出研制中應(yīng)關(guān)注的重點,使之牢記安全性要求,確保性能指標(biāo)和使用安全,預(yù)防類似事故發(fā)生,更好地完成研制工作。

      【關(guān)鍵詞】鋰電池;泄爆;壽命周期;安全

      一、問題出現(xiàn)

      鋰-亞硫酰氯ER48XXXX單體電池進(jìn)行短路試驗時,總共抽取8只電池分別進(jìn)行高低溫短路試驗,試驗設(shè)備、試驗方法均滿足標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求,其中2只正常泄放,5只未泄放也沒有爆炸、燃燒,1只高溫(60℃)短路出現(xiàn)泄爆,聲音較大。此鋰-亞硫酰氯電池安全試驗結(jié)果未全部滿足相關(guān)要求。

      二、原因分析

      鋰-亞硫酰氯電池以金屬鋰Li為負(fù)極,液體亞硫酰氯SOCl2 為正極活性物質(zhì),以多孔碳極為正極催化載體及集流體,以SOCl2作溶劑,溶解LiAlCl4鹽溶液為電解質(zhì)。

      電化學(xué)表達(dá)式為:Li∣LiAlCl4───SOCl2∣SOCl2(C)

      電池總反應(yīng)式為:2SOCl2 +4Li=4 LiCl+S+SO2

      陽極反應(yīng): 4Li=4 Li++4e

      陰極反應(yīng): 2SOCl2+4e= 2SO+4Cl-

      鋰-亞硫酰氯電池在濫用時,比如短路,大電流導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度快速升高,內(nèi)部壓力變大會產(chǎn)生爆炸、燃燒,所以在電池設(shè)計中必須有防爆系統(tǒng),一般是通過泄放壓力來保證。

      該型鋰-亞硫酰氯電池防爆系統(tǒng)由電池蓋板上的環(huán)形應(yīng)力槽和中心玻璃絕緣子構(gòu)成,當(dāng)電池內(nèi)部溫度和壓力升高時,通過環(huán)形應(yīng)力槽發(fā)生形變擠破中心玻璃絕緣子達(dá)到泄放防爆的目的。在電池設(shè)計中,壓力泄放和電池泄漏是一對矛盾,電解液的非預(yù)期泄漏在一定條件下?lián)p失率要求不大于0.005%。既要保證電池在環(huán)境應(yīng)力下儲存和正常工作時防爆系統(tǒng)不動作,提高儲存和工作的可靠性,又要保證在濫用和極端條件下電池能迅速安全泄放,不出現(xiàn)燃燒、爆炸等。

      在此次試驗中,泄爆單體殼蓋散落幾處,中心極柱脫離,電解液從泄放口噴出,有較大響聲。原因可歸結(jié)為中心玻璃絕緣子的結(jié)合力度過大,沒有及時打開,導(dǎo)致出現(xiàn)泄爆現(xiàn)象,屬于不可接受的個體問題;但是另有5只未泄放,其短路電流由50A左右降至1A時,單體電池表面溫度最高達(dá)120℃,這也不完全符合安全性要求;雖有2只正常泄放,但后續(xù)補(bǔ)充抽樣4只電池進(jìn)行高溫短路,未出現(xiàn)爆炸、燃燒現(xiàn)象,結(jié)果仍為2只正常泄放,2只未泄放,進(jìn)一步驗證玻璃絕緣子的結(jié)合力度偏大,同時由于制造工藝和相關(guān)設(shè)計的一致性差造成單體電池個體差異。

      三、幾點思考

      1.短路試驗是鋰電池安全性試驗的基本試驗之一,任意一個鋰電池生產(chǎn)廠做過的短路試驗至少幾百次,在正規(guī)試驗時出現(xiàn)泄爆可能是第一次。偶然之中帶著必然,安全性試驗在鋰電池各種標(biāo)準(zhǔn)中均著重描述,電池設(shè)計、制造、質(zhì)量一致性檢驗都重點強(qiáng)調(diào)安全。因此在必須進(jìn)行的安全性試驗中對設(shè)備、人員、操作等的管理均應(yīng)認(rèn)真嚴(yán)格,試驗實施前應(yīng)制訂好安全措施及預(yù)案,強(qiáng)化實驗設(shè)備安全要求和操作規(guī)范,高度重視并確保人身安全。

      2.鋰電池生產(chǎn)廠應(yīng)制定安全設(shè)計準(zhǔn)則,新開發(fā)的產(chǎn)品定型前應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的安全設(shè)計審核,安全防爆系統(tǒng)設(shè)計是重中之重,需要反復(fù)試驗驗證方能確定下方案,還應(yīng)通過嚴(yán)格的質(zhì)量管控保證產(chǎn)品制作過程穩(wěn)定、受控,如供應(yīng)商資質(zhì)評審、采購原料控制、工藝工序在線控制、設(shè)備控制、質(zhì)量在線管控等。在鋰電池的整個制造、驗收過程中必須嚴(yán)格執(zhí)行“源頭抓起,過程控制,充分試驗,驗收把關(guān)”原則,按照工作程序進(jìn)行踏實細(xì)致的檢驗驗收,盡全力解決安全性試驗中可能存在的“闖關(guān)”問題。我認(rèn)為主要關(guān)注點如下:

      (1)生產(chǎn)工藝鑒定。一種型號鋰電池,經(jīng)過設(shè)計、試制、試驗后,試制采用的工藝流程是否合理可行,能否滿足安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性要求,對此生產(chǎn)工藝進(jìn)行鑒定,固化可行的工藝流程。在后續(xù)批量生產(chǎn)中保持或優(yōu)化工藝參數(shù)、嚴(yán)格執(zhí)行“作業(yè)指導(dǎo)書”等工藝文件對保證單體電池的質(zhì)量及其批次的一致性很有必要。

      (2)質(zhì)量管理流程。通過質(zhì)量管理體系等標(biāo)準(zhǔn)的審核并取得認(rèn)證資格的鋰電池生產(chǎn)廠,應(yīng)更加強(qiáng)調(diào)全員質(zhì)量管理,按照“三定”(定編、定崗、定員)要求安排各工位,按照“5M1E”(人、機(jī)、料、法、環(huán)、測)各方面考慮,從原料投入到產(chǎn)品完工的全過程控制,對每一個產(chǎn)品進(jìn)行唯一性標(biāo)識,在生產(chǎn)整個流程上選取制定合理可行可信的質(zhì)量控制點并嚴(yán)格管理把關(guān)就很有必要。

      (3)質(zhì)量一致性試驗。鋰電池生產(chǎn)批量較大,一次投料可能產(chǎn)出幾千只甚至上萬只單體,現(xiàn)代化、自動化、有高技術(shù)含量的制造設(shè)備大大提高生產(chǎn)能力和質(zhì)量水平,但是毫不諱言,生產(chǎn)出來的單體電池總是存在差異,經(jīng)過篩選后仍帶有“危險”。那么把可能出現(xiàn)不合格現(xiàn)象限定在一個相對較小的批量內(nèi),按照抽樣原則進(jìn)行的單體電池質(zhì)量一致性試驗就很有必要。

      (4)成組方式的選取。在市場上民用鋰一次電池以億計,二次電池數(shù)量更多,基本上是小容量和低倍率放電工況使用。滿足水中兵器的大容量大電流使用就必須合理考慮單體成組方式,按照允許的偏差將數(shù)十上百只單體串并聯(lián)組成模塊,幾個或更多模塊再組成適用的電池組。針對用戶的不同需求,采取不同的串并組合方式滿足用戶要求,同時在各支路甚至各單體電池上接入保險器、二極管等進(jìn)一步提升其成組安全性。

      (5)出廠抽比試驗。電池單體、電池模塊、電池組出廠時,按照擱置期要求抽樣原則選取適當(dāng)比例的單體、模塊甚至電池組進(jìn)行相關(guān)試驗應(yīng)在合同協(xié)議中予以明確,確保電池組不帶“故障”合格出廠。另外同批生產(chǎn)的單體電池在投料時應(yīng)適當(dāng)放量,保證不同使用期的電池能力水平評估試驗所需和壽命期內(nèi)備件供應(yīng)。

      (三)按照可靠性浴盆曲線考慮,鋰電池在使用過程中一般到不了右不穩(wěn)定區(qū),在生產(chǎn)過程中通過儲存擱置、篩選、檢驗驗收等工作使其盡快渡過左不穩(wěn)定區(qū),讓交付使用后鋰電池壽命期內(nèi)管理過程均處于穩(wěn)定的曲線中部。在保證質(zhì)量可靠的前提下,再重點關(guān)注說明書的編寫、檢測設(shè)備的使用、對操作人員的培訓(xùn)等環(huán)節(jié),保證鋰電池交付后的使用能力。還可以采用測量電池組的開路電壓;使用專用負(fù)載進(jìn)行小電流放電,測量電池起始負(fù)載電壓與貯存前起始負(fù)載電壓電壓對比;測量電池組溫度,與環(huán)境對比;測量包裝箱內(nèi)泄漏氣體濃度,觀察電池外觀有無銹蝕等多種監(jiān)(檢)測方法保證交付后的儲存及使用安全,同時也為生產(chǎn)廠家積累相關(guān)數(shù)據(jù)。

      以上所述肯定不全面,鋰電池安全性應(yīng)關(guān)注的地方還有很多,方法也更多,安全性相關(guān)工作需要不斷摸索。行百里者半九十,科學(xué)研究每一步都要走踏實,在鋰電池研究試制的開始階段,敲響警鐘很有必要。

      參考文獻(xiàn):

      [1]GJB2278/1-2002鋰-亞硫酰氯電池系列規(guī)范

      [2]GJB2374-1995鋰電池安全要求

      [3]水中兵器用鋰電池研制程序及要求

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