鋰電池安全測試
安全性測試包括“穿釘”、“擠壓”等50多個項目
老化測試是將充電后的LIB放入托盤，放置一段時間。進行測試的LIB的數(shù)量通常都保持在幾萬塊。因此，開發(fā)部門從杜絕隱患的角度出發(fā)，認為應當使托盤具備阻燃性。然而，阻燃的重要性并沒有準確傳達到制造現(xiàn)場。開發(fā)部門并不知道，托盤最終沒有采用高阻燃性材料，而是采用了分子量并不算大的聚丙烯。工廠方面是為了降低成本。
通過重現(xiàn)試驗得出了最終結論：電池起火的可能性極低，發(fā)生火災是因為其他某種原因引燃的火種點燃了易燃的托盤。我們對托盤進行的燃燒試驗顯示，發(fā)現(xiàn)托盤的確很容易起火。而且聚丙烯的熔點較低，一旦引燃就會融化，啪嗒啪嗒滴落下來，就像蠟油從點燃的蠟燭上滴落一樣。起火位置已經確定是架子的最頂端。因為托盤的上述性質，融化的聚丙烯會連續(xù)不斷地滴到下面的架子上。此時，向燃燒的托盤噴水，就會造成起火的聚丙烯液滴飛濺，無法滅火。倘若托盤具備阻燃性，火勢絕對不會這樣蔓延。
安全管理有一條基本原則“海因里希法則”。這是曾在美國的保險公司擔任技師的海因里希通過調查、分析5000多起工業(yè)事故發(fā)現(xiàn)的法則。在1起重大事故的背后，必有29起中等事故。而在29起中等事故的背后，還有看似不值得一提的300起小事故。他的這個發(fā)現(xiàn)也被稱作“1:29:300法則”。在這次火災之前，應該發(fā)生過多起小事故，但沒有引起重視。開高健的小說《最后的晚餐》里有這樣一句話，“火災的火焰必定比引起火災的香煙火苗旺盛”。結果的確如此。
5個月的討論得出結論
之后，與消防廳的探討還在繼續(xù)?；馂陌l(fā)生3個月后的1996年2月9日，我們來到東京消防廳預防部，在一張靠窗的桌子旁邊，與危險品課和查察課的工作人員就事故原因展開了討論。屋子里的辦公桌密密麻麻，桌上和書柜里堆滿了文件。筆者雖然心里嘀咕“這么多文件，萬一著火了怎么辦”，但臉上不能露出一絲痕跡。窗外能看到皇居的大手濠，恬靜的景色一覽無遺。而在我們的腦子里，卻滿是對當天的討論結果的擔憂與彷徨。
我們細致、耐心地向東京消防廳解釋了LIB的原理和結構、多重安全機構，以及我們通過再現(xiàn)實驗設想的火災原因。探討的結果是：LIB的操作規(guī)定無需改變，可以維持原樣。那一剎那，從未有過的輕松涌上心頭。那之后的1996年4月4日，我們帶著東京消防廳的意見，與郡山消防署進行了長達4個小時的會議，最終得到了LIB不屬于危險品的結論。
就這樣，火災事故的認定告一段落。接下來必須要制定對策，杜絕此類問題的復發(fā)。這次火災發(fā)生在索尼自己的工廠，我們自認倒霉，但同樣的事故決不能在個人電腦、手機企業(yè)的工廠以及末端用戶那里發(fā)生。
防止過充電和過放電
下面就來介紹在那次事故之后，我們在LIB上采用的安全技術。LIB使用有機溶劑作為電解液，負極配備鋰和碳的化合物，完全就是可燃物的集合體。而且，巨大的能量被封閉在狹小的空間中。電池在使用時，能量是一點點釋放的，倘若一下子全部放出來，就會引發(fā)事故。因此，為了防止這種情況發(fā)生，LIB必須采取多重安全對策。對策的原則是防止過充電和過放電。
鋰電池結構
圓筒型的結構是片狀的正極與隔膜、負極重疊并卷成筒狀，整體浸泡在電解液中。
第一項對策是機械連接（mechanical link，也叫電流斷流裝置）（圖3）。這是當電池內壓因異常而升高時，通過切斷正極引線使電流斷開的器件。正極引線焊接在凸出的引線斷路器的頂部（圖4）。
斷流操作借助在正極活性物質LiCoO2中加入少量碳酸鋰（Li2CO3）的方式實現(xiàn)。當電池過充電、電壓達到約4.3V后，碳酸鋰將分解產生二氧化碳氣體。氣體壓力使電池內壓升高后，引線斷路器被向上推起，從而切斷焊接著的引線。
要想使正極活性物質含有少量碳酸鋰，只需要在生成LiCoO2時略作調整即可。LiCoO2通過Co3O4和碳酸鋰混合煅燒的方式合成。合成時，碳酸鋰的用量要大于需要量。這樣一來，多余少量碳酸鋰將不發(fā)生反應，殘留在正極內。
當內部短路導致溫度和內壓升高后，引線斷路器被向上推起，切斷焊接上去的正極引線。
鋰電隔膜
通過SEM觀察，隔膜表面分布著許多微孔。微孔內存留有電解液，形成電極間離子導電的通道。
隔膜也在LIB的安全對策中扮演著重要角色。隔膜通常使用聚乙烯（PE）微孔膜。從PE隔膜表面的SEM照片來看，直徑為亞微米等級的PE原纖維（比纖維還細的叫作“原纖維”）形成了類似于無紡布的薄墊，上面也有許多亞微米等級的微孔（圖5）。
充放電時Li+（鋰離子）會穿過微孔，在正負極之間移動。當電池溫度因誤操作等原因異常升高時，根據(jù)分子量的不同，PE會在120～130℃的溫度下熔化，堵塞微孔。從而使鋰離子無法移動，斷開充電或放電電流。這種現(xiàn)象叫作“隔膜切斷”。
理論雖然如此，實際卻沒有這么順利。比如說，個人電腦電源等采用的直徑18mm×65mm的“18650”電池使用面積約為350～400cm2的兩片隔膜。面積如此之大的隔膜很難整片同時切斷。同時切斷意味著要讓具有相當大范圍軟化點的PE在達到某一特定溫度后，所有區(qū)域同時軟化。
而且，如果單是局部軟化，反而會令問題變得嚴重。發(fā)生局部軟化時，鋰離子會集中從微孔沒有封閉的部分穿過，在該部位形成大電流。而且，軟化的PE強度低，很容易破裂（叫作“擊穿”），甚至會導致正負極“直接短路”，非常危險。
靠朋友解決了問題
既然如此，要怎么解決呢？答案其實很簡單：采用結晶性聚合物作為隔膜。結晶性聚合物沒有模糊不清的軟化點，取而代之的是明確的熔化溫度，也就是熔點。利用特殊溶劑將分子量極大的PE（超高分子量PE）制成凝膠，沿垂直的兩個方向拉伸凝膠膜（雙向拉伸），即可得到合適的薄膜（微孔膜）。這種薄膜由高結晶性的原纖維構成，具有明確的熔點（例如130℃左右）。另一個好處是，超高分子量PE的熔體黏度極大，而且?guī)缀鯖]有流動性，因此，擊穿溫度可以比切斷溫度高出幾十℃。
我們?yōu)榱苏业骄邆溥@種特性的隔膜，進行了各種各樣的試制，但一直沒有得到好的結果。最終，還是靠一位朋友解決了問題。1991年12月25日，就在研發(fā)人員束手無策的時候，我們拿到了似乎可行的隔膜。這簡直就是圣誕老人送來的圣誕禮物，這位“圣誕老人”就是筆者高中時代的同學半澤進。
筆者與半澤在北海道札幌市的一所高中同窗三年。1991年的時候，他擔任制造隔膜的東燃化學公司的董事。之后的進展十分順利。半澤帶來的隔膜雖然也有不足之處，但我們一起努力，優(yōu)化了拉伸強度、厚度、孔徑分布、多孔度、透氣度等性質，最終達到了可投入實用的水平。
利用PTC元件避免切斷
機械連接和隔膜一旦啟動，電池就將報廢。因此，我們還為LIB加入了一個可逆的安全裝置，就是PTC元件。PTC是Positive Temperature Coefficient（正溫度系數(shù)）的縮寫，具備正溫度梯度，由碳顆粒在聚合物基體中分散形成。在常溫下，碳顆粒相互接觸，元件的電阻低。隨著電池溫度升高，聚合物基體將發(fā)生膨脹，碳顆粒之間的接觸減少。這會使元件的電阻增大，從而切斷充放電電流，此時的溫度叫作“跳閘”溫度。PTC元件夾在引線斷路器與正極蓋之間。溫度降低后，元件的電阻恢復原狀，因此，可以把PTC元件看作是可逆的溫度開關。
如上所述，隔膜的切斷溫度約為130℃。只要把PTC元件的跳閘溫度設置為低于這個溫度，例如100～110℃，當出現(xiàn)異常升溫時，可逆開關PTC元件將首先啟動。這樣一來，就能避免隔膜切斷導致電池永久報廢。
但這里要提醒大家，有看法認為，可逆的溫度開關會導致LIB在沒有找到異常發(fā)熱真正原因的情況下就重新投入使用，反而有可能造成危險。
安全機構的最后一道堡壘是保護電路，也就是BMU（battery management unit）。BMU屬于電子電路，可以附加豐富的功能。其基本作用是通過監(jiān)控電池的狀態(tài)，預防過充電、過放電等故障。
而且，除了安全機構，我們還設置了嚴格的供貨前檢查。要進行各種測試，只有合格的批次才能出廠。舉例來說，在穿釘測試中，釘子將貫穿整塊電池；擠壓測試中會用垂直于電池的鋼棒將電池壓扁到直徑的約1/4，出現(xiàn)起火或冒煙即為不合格。關于穿釘測試，由于釘子的粗細、插入的速度和插入的電池部位會影響測試的結果，因此測試是在最嚴苛的條件下進行的。
