電動車電池之安全設計技術(下)：材料世界網

從鋰電池芯角度出發，分兩期介紹當電池發生異常時電池內部熱分解反應的發展，以及各種誤用測試的安全測試方法與相對應電池行為，最後從鋰電池元件的觀點，介紹如何從正極、負極、電解液、隔離膜及安全元件角度，提升電池的安全性。

（上集）	（下集）
‧前言 ‧電池安全測試　1. 機械誤用測試　　(1) 擠壓測試　　(2) 掉落試驗　2. 電性誤用測試　　(1) 過充電測試　　(2) 過放電測試　　(3) 外部短路試驗　3. 溫度誤用測試–高溫儲存試驗　4. 電池內部短路	‧鋰電池芯安全設計　1. 正極極板　2. 負極極板　3. 隔離膜　4. 電解液　5. 電池結構與安全元件　　(1) 安全元件　　(2) 內短路散熱結構設計 ‧結論

【內文精選】
鋰電池芯安全設計
了解鋰電池的異常行為及相關的安全測試之後，接著從鋰電池芯的組成元件觀點，探討從正極、負極、隔離膜、電解液、罐體結構及安全裝置，如何可增加電池的安全性。
1. 正極極板
鋰電池電容量的提升與電池所採用的活性物質有關，其中又以正極材料最具關鍵；正極用量在電池中比重最大，正極材料分解反應的放熱量也占主要部分，因此正極材料對整體電池安全性的影響也相當大。

為解決高能量正極所引發的安全問題，可在正極材料進行表面改質，防止正極和電解液直接接觸，從而抑制相變，提高結構穩定性。表面塗層材料需具有耐熱熱和化學惰性，通常是磷酸鹽、氟化物和固體氧化物等，如AlPO₄、AlF₃、ZrO₂。也可在極板中加入特殊的安全材料，如工研院開發的STOBA®，使電池能通過嚴苛的針刺試驗。

4. 電解液
電解液中主要是由鋰鹽、有機溶劑及機能性添加劑所組成，需滿足高導電度、穩定電化學特性、低成本及安全等特點。電解液的配方除了對電池電性有很大的影響外，對電池安全性的提升也有很大的貢獻。在安全性方面，電解液中可加入添加劑來提升電池防過充、阻燃或其他功能性。在過充添加劑方面，CHB (Cyclohexyl Benzene)及BP (Biphenyl)是常見的聚合型防過充添加劑，氧化還原對(Redox Shuttle)則是消耗過充電量的添加劑。

電解液中的有機溶劑可燃性高，若電解液燃燒，釋放的熱量會高於其他材料熱分解熱量的總和，因此阻燃電解液是電池廠追求的目標之一。為達到良好的阻燃效果，通常需加入較大量的添加劑，因此影響到電池正常的電性表現。圖十六為TBBP電解液添加劑的阻燃效果，藉著優化阻燃添加劑的含量(1%)，可使電池循還壽命不受影響，也能保有良好的阻燃效果。一般電解液之電池經點火後立刻起火燃燒，並維持約12分鐘；若電解液中含1%之阻燃劑時，雖然電解液點火後仍被點著，但僅有小火點著，且僅維持17秒便自行熄滅，可大幅提升電池安全性；若加到3%添加量…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。

圖十六、18650電池燃燒測試(a)標準電解液；(b)含1% TBBP阻燃劑之電解液

5. 電池結構與安全元件
車用電池的設計依其外型可分為圓柱形、方形和軟包裝電池三種類型。軟包裝電池因扁平結構具有較佳的散熱途徑，可將電池內部產生的溫度較快速的傳導到外面，使電池相對較安全；但因先天結構的限制，電池殼體通常沒有引入安全元件的空間，僅可在電池外部連接通路上加入安全元件來提升電池安全性。圓柱形及方形電池是屬於硬罐體電池，罐體具有較佳的剛性及空間加入安全元件，來提升電池安全性。
(1) 安全元件
18650電池因其電容量小且有多道成熟的安全設計，相對於其他形式之電動車用電池有較佳的安全性。18650電池的安全元件多設計在端蓋組（圖十八）上，PTC (Positive Temperature Coefficient)元件在溫度升高時阻抗會上升，藉此限制異常大電流的流通來保護電池；CID (Current Interrupt Device)元件則可因電池內部壓力升高，使CID上下盤變形，造成連接點分離而截斷電流通道；而安全閥(Safety Valve)元件是當電池內部壓力過大時會破裂，釋放壓力使電池安全；鋁線連接(Al Wire Bond)用在電芯與模組間的連接，當有高電流異常情形發生時可像保險絲一樣被燒熔，來確保電池模組/系統安全，在Tesla電動車上被廣泛應用。

圖十八、18650電池安全結構(PTC/CID/Al Wire)