曾靖雅、李綱 / 臺灣大學機械系
鋰離子電池作為新一代電化學儲能電池，於3C電子產品當中已廣為使用；在綠色能源興起及車輛電動化日漸普及的當下，作為電動車輛、船舶、無人機的儲能方案，以及用於配合充電站及再生能源發電廠的儲能選項，鋰離子電池更是大量被採用。然而，近年來國內外已發生多起鋰電池相關的重大安全事故，引發社會大眾及政府有關單位對於鋰電池安全議題的關注。在鋰電池能量及功率密度水準持續提升的同時，如何改善鋰電池的安全性並且正確地評估其安全風險，落實安全認證制度並且和國際標準接軌、與時俱進，更是當前政府大力推動能源轉型過程中不可輕忽的一項重要工作。本文將從鋰離子電池之材料組成至模組、系統各層面分析探討鋰電池的安全性問題，由微觀至巨觀剖析熱失控的成因，並彙整國際上現行有關鋰電池的安全驗證標準及法規，期能協助國內產業界及政府主管機關對於儲能鋰電池的安全性進行正確的風險評估及管理。
【內文精選】
鋰離子電池類別與特性
1. 鋰電池的基本結構與型態
鋰離子電池的組成主要可分為四個部分（圖一(a)）：作為電荷載體的陽極(Anode)和陰極(Cathode)，用於分隔電極以避免短路的隔離膜(Separator)，以及用於攜帶離子的電解液(Electrolyte)。正極材料及負極材料決定了整個電池的操作電壓及能量密度；電解質主要是由鋰鹽(LiPF6、LiClO4)及有機化合物溶劑所組成，依據電解質形態可區分為液態、膠態及固態，負責傳導鋰離子穿梭於電池中；而隔離膜係由高分子所構成，以防止正負極直接接觸導致短路。
圖一、(a)鋰離子電池結構圖；(b)圓柱單元；(c)方罐單元；(d)鈕扣單元；(e)軟包單元；(f)電芯、模組和電池包之間的關係
由以上四個主要部分可以組成一個電芯單元(Cell)，而電芯單元亦有圓柱單元(Cylindrical Cell)、方罐單元(Prismatic Cell)、鈕扣單元(Coin Cell)及軟包單元(Pouch Cell)等不同結構形式（圖一(b)~(e)）。除了外形差異，其物理特性與電性也有所不同。圓柱形電芯是目前最成熟的電池形式，在電子產品中已廣泛使用幾十年，製程亦相當成熟；然而，電池模組通常需要數千個圓柱形單元組成，因此圓柱形電芯的電池管理系統設計較複雜，亦有機械結構限制功率、壽命/循環次數較低等缺點。方形電池主要以鋁材作為硬式外殼，目前占電動汽車銷量的60%，使用鋁殼使其具有高機械強度並提升其安全性，亦被認定是未來固態鋰電池的最佳包裝形式，用以隔離易碎的電解質。軟包電池擁有最高的能量密度且比方罐電池更輕，由於沒有金屬外殼限制，軟包電池的設計更有彈性；然而，由於電池包裝於鋁箔袋內，熱傳導相對較快且較缺乏絕緣性，安全性確保是一大難題。
鋰離子電池熱失控成因分析
1. 鋰離子電池熱失控
鋰離子電池熱失控為電池在過充、過熱、撞擊、短路等異常使用條件下溫度異常升高，引發內部一系列化學反應，造成電池脹氣、冒煙、安全閥打開，同時這些反應會大量釋放熱量使整個電池溫度進一步升高，最終各個化學反應劇烈發生，電池溫度不可控地迅速上升，引起燃燒或爆炸，導致嚴重的安全事故。
2. 鋰離子電池事故成因
(1) 關鍵材料
電芯隔離膜若含有針孔等缺陷，或者有折痕也將誘發短路風險。隨著鋰離子應用擴大，為了提升電池的能量密度，提高了正負極活性物質所占的比重，減少隔膜、銅箔和鋁箔厚度，然而如果極片抗拉強度和延伸率不夠，或是隔膜強度和熱穩定性不夠，終將因為充放電過程發生應力變化而引發短路。
鋰離子電池安全之風險管理
1. 鋰離子電池安全測試
如圖五所示，電池系統的安全性是目前鋰電池應用面臨的最直接問題，其研究重點是系統中熱失控的擴展規律與抑制、預警措施。電芯的熱失控因上述各種原因無法完全避免，而在系統層面防止熱失控擴展是最可能的安全性解決方案。
圖五、鋰離子電池安全測試
(1) 熱失控擴展和火災危險性測試
主要方法是通過加熱、過充、針刺等方式誘發電芯單體的熱失控，並利用接觸式熱電偶、紅外測溫等手段研究溫度在系統中的分布和變化。此實驗成本和危險性較高，在真實環境下實驗得到的電池系統燃燒行為往往更加複雜，不過通過真實測試，可進一步評估大型電池組的安全性和失控風險，為安全性改良、預警、消防和災害處置提供重要資訊 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》440期，更多資料請見下方附檔。