圖1.(a)電池爆炸后的三星GalaxyNote7。

然而，在給人們的生活、生產(chǎn)帶來(lái)便利的同時(shí)，層出不窮的鋰離子電池安全問(wèn)題也成為了人們十分關(guān)心的焦點(diǎn)。例如2016年9月三星GalaxyNote7電池爆炸事件，這使得多國(guó)特種主管部門、以及各特種公司對(duì)三星GalaxyNote7下達(dá)飛行禁令后，三星緊急召回250萬(wàn)部手機(jī)，帶來(lái)了極其負(fù)面的社會(huì)影響(圖1(a));

2013年7月，希思羅機(jī)場(chǎng)埃塞俄比亞特種波音787因飛機(jī)內(nèi)鋰電池短路而起火，造成飛機(jī)后部機(jī)身大面積燒毀;同年8月，特斯拉在法國(guó)比亞里茨對(duì)ModelS和ModelX兩款電動(dòng)汽車進(jìn)行推廣的試駕活動(dòng)中，一輛ModelS90D出現(xiàn)電池自燃，事后車輛完全被毀(圖2(b))。

圖2.(b)起火的特斯拉ModelS90D。

這些事件都說(shuō)明了由鋰離子電池失效所造成的損失是非常巨大而沉重的，因此，鋰離子電池的使用安全性及可靠性是極其重要的。對(duì)鋰離子電池進(jìn)行故障模式機(jī)理與影響分析(FMMEA)能夠提供一個(gè)嚴(yán)格的構(gòu)架來(lái)定義什么樣的鋰離子電池是不合格的，如何去檢測(cè)，怎樣的過(guò)程可能會(huì)引起電池的失效，同時(shí)，提供鋰離子電池的失效模式及預(yù)防措施。通過(guò)各個(gè)方面改進(jìn)、預(yù)防、保護(hù)來(lái)保證鋰離子電池的可靠性及安全性。

鋰離子電池結(jié)構(gòu)

從鋰離子電池結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，主要分為以下五個(gè)部分組成，如圖3所示：

(1)正極材料：電極電勢(shì)較高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的具有嵌鋰能力的層狀或尖晶石結(jié)構(gòu)的過(guò)渡金屬氧化物或聚陰離子型化合物，如鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、三元材料等。

(2)負(fù)極材料：電位接近鋰電位、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的并可大量?jī)?chǔ)鋰的層狀石墨、金屬單質(zhì)及金屬氧化物，如石墨、中間相碳微球、鈦酸鋰等。

(3)電解液：溶有電解質(zhì)鋰鹽的有機(jī)溶劑，提供鋰離子，電解質(zhì)鋰鹽有LiPF6、LiClO4、LiBF4等，有機(jī)溶劑主要由碳酸二乙酯(DEC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸乙烯酯(EC)、二甲酯(DMC)等其中的一種或幾種混合組成。

(4)隔膜：置于正負(fù)極之間，防止正負(fù)極直接接觸，且允許Li+離子通過(guò)的聚烯微多孔膜，如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)，或它們復(fù)合膜，PP/PE/PP三層隔膜。

(5)外殼：電池封裝，主要有鋁殼、蓋板、極耳、絕緣片等。

圖3.圓柱形鋰離子電池結(jié)構(gòu)示意圖。

鋰離子電池的故障機(jī)理與影響分析總結(jié)

故障模式機(jī)理與影響分析(FMMEA)衍生于失效模式與影響分析(FMEA)，在FMEA分析的基礎(chǔ)上，F(xiàn)MMEA更加詳細(xì)的定義和指出了導(dǎo)致故障產(chǎn)生的機(jī)理。因此，鋰離子電池的FMMEA的發(fā)展基于多年來(lái)對(duì)電池可靠性的試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)拆解及失效分析研究。本文從鋰離子電池結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)總結(jié)了鋰離子電池的故障機(jī)理與影響分析，如表1所示：

表1.鋰離子電池的故障模式機(jī)理與影響分析

以上表格是根據(jù)長(zhǎng)期可靠性試驗(yàn)與分析積累所得。在鋰離子電池失效分析中，還應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況全面考察電池的材料、工藝、工作環(huán)境、使用情況及宿主設(shè)備等信息。電池雖小，但它所涉及到的方面卻極其復(fù)雜，因此，研究者還需根據(jù)背景信息進(jìn)行細(xì)致考察并得出合理的結(jié)論。