「鋰電池」應用早已無形滲透在日常生活中,小到可攜式的電子產品如耳機、手機、行動電源,大到交通運輸工具如電動汽車等的大小鋰電池,可謂新型態的「鋰生活」已正式來臨!

然而,鋰電池的安全狀況不斷,儘管透過安全標準的要求可以大幅降低電池安全的問題,但要達到完全杜絕鋰電池起火仍是非常困難!

鋰電池的失效風險:熱失控

鋰電池為什麼危險?從鋰電池的基本運行原理中就可窺知一二。市面上絕大部分鋰電池的主要成分除了正負極材料外,還有電解液與隔離膜。這些材料與結構的特殊組合造成了鋰離子能在電池正負極中來回,形成充電與放電的作用。然而這些材料本身在高溫下具有不穩定的特性,一旦遇到內短路或是其他情況引起的高溫,就可以分解出構成燃燒的要件:氧與可燃物。若是這樣產生的熱無法散去,就會在電池內部持續循環加速反應,產生所謂的「熱失控」,顧名思義就表示了這樣的失效無法控制,相當危險。

隨著鋰電池的應用層面廣,安全疑慮也因此擴大。一般手機僅使用了單顆電池,但電動車、儲能系統等應用,動輒使用上千顆、上萬顆,倘若一顆失效,就可能發生像是放鞭炮一樣的連鎖效應,一個接著一個,造成嚴重的傷害與損失。

因此,UL研發技術總監王凱魯提醒,「千萬不可以假設鋰電池一定是沒有問題的,要使用鋰電池,就必須了解它有一定的失效風險。」而鋰電池的用料、結構、系統設計絕對會影響熱失控發生時的嚴重性。

電池失效案例與原因

UL以三星Note7起火與波音787飛安事件的電池失效調查發現為例,剖析電池失效事故的原因。

三星Note7電池問題,主要是來自兩家不同的電池供應商在製程品管上分別發生問題。其一是在電池組裝過程中,鋰電池角落受壓力變形,造成隔離膜無法有效阻隔正負極,而產生內部短路;另一則是鋰電池極耳的超音波焊點突出部位未貼上絕緣膠帶,造成內部短路起火,導致產品全面下架回收。

而波音787的鋰電池則是由於鉚釘的設計,受到飛機引擎與起降等震動使其接觸不良,在高電流下使得局部發熱造成隔離膜融化,同時系統設計未考慮電芯間洩壓閥與失效熱傳遞的影響,造成2013年在一個月內發生兩起的飛安事件。

總觀而言,UL提出鋰電池會出問題的真正原因有二,一是在設計產品時,把電池當成了一般元件使用,但不同於以前的傳統電池,鋰電池本身存在不可抗的熱失控問題必須被徹底了解,電池的品質也須進行嚴格控管;另亦沒有考慮到什麼樣的環境下使用才安全,做出最適當的要求;二則是沒有對電池失效做出最壞情況的打算,忽略了失效所可能產生的風險與嚴重性。

經深入分析後,這兩個案例也開始重新思考看待鋰電池的方式。三星從加強品質管控下手,也徹底去評估電池安全範圍與失效後的損害。而波音則接受了電池會熱失控的現實,從系統端著手改善,利用設計去緩解電池熱失控後的失效蔓延。

鋰電池安全應用新思維

鋰電池確實存在不可控的潛在危險!因此,UL呼籲對於鋰電池的安全要有新的思維模式,若要應用鋰電池在產品上,就必須認清現實,鋰電池一定有安全風險,不能當作一般元件使用,要懂得如何要求電池的安全性,一方面從品質把關著手,降低出問題的機率,一方面從設計著手,充分了解電池的特性,考量安全使用範圍,並思考可能失效的方式與嚴重程度,將緩解失效的模式設計出來,降低電池失效的嚴重性。

此外,UL認為預測失效相當重要,王博士重申,電池系統的失效模式應該是被“設計”出來的,完善的失效模式設計可以降低傷害的嚴重性。波音787的新電池設計就是最好的例子,將產生熱失控的熱能透過導管排到機身外,降低失效的嚴重性,有效控制失效後的損害。

電池安全標準新趨勢

UL今年推出最新版針對儲能系統的UL 9540A 測試方法標準,由於鋰電池是目前儲能系統的首選,隨著美國紐約地區核能電廠陸續退役,為緩解電力需求,開始規畫於大樓內自建儲能系統,但因鋰電池本身存在不可控的失效問題,因此不同於以往,推出新的測試方法,並從考量最壞的情況出發,直接評估儲能電池在熱失控起火後的燃燒情況,在安裝儲能系統時,由系統廠商提供給當地消防人員,藉此了解該儲能電池系統在熱失控下的火災特性,進而提供消防系統設計出應對方法的依據。

從基本的電池芯標準ANSI/UL 1642、電池組標準ANSI/UL 2054,延伸到發展各領域如行動電源、平衡車、電動車、儲能對應標準。在儲能領域,從第一代固定電池組標準ANSI/CAN UL 1973、到全球第一本儲能系統標準ANSI/CAN UL 9540,以及最新出版的UL 9540A測試方法。面對鋰電池,UL也以新思維因應,要求了解鋰電池的應用特性,提出層層防護的安全要求。

王凱魯並以航空業者舉例,對於貨機機師來說,相較於單顆引擎的故障,更怕貨艙傳出的「失火警訊」!不僅要考慮到機上消防設備有可能不足以應付的火勢,更要考慮到迫降及排泄燃油對於環境的問題。因此航空業者對於「鋰電池的飛安」新思維也轉向了解熱失效的燃燒狀況,提出相對應的消防設計與防護應對。

建立鋰電池安全使用共識

鋰電池確確實實存在的安全問題。除了製造商必須認清及防範使用鋰電池可能帶來的安全風險外,一般消費大眾也同樣有責任,必須正視鋰電池的危險,了解如何安全使用,像是搭乘飛機,就必須遵守將鋰電池產品置放在隨身手提行李中,以減少飛安問題的產生。也因此,唯有每一個人都有安全共識,才能降低鋰電池發生意外帶來的傷害。