2024年2月6日 星期二

電池相關的各種知識與展望(03) 從案例與實際驗證中找解答


與前述在電池之外發生的「外部短路」不同,在電池中引起的短路就稱為「內部短路」。會有內部短路的問題產生,其要因可除了前述外部衝擊造成的電池內部構造被破壞以外,還能推斷為「隔絕部分不良」或是「異物」、或「金屬析出」等等因素。


「隔絕部分(Separater)」是夾在電池正極與負極之間,防止兩者接觸或短路的隔膜。但隨著製造不良或是長期使用之後造成的劣化,會損害隔絕部分原本應有的功能,而引起內部短路。


其次是「異物(contamination)」。對製造業來說混入異物時常見、司空見慣的問題,但從電池原料或製造裝置上混入電池中的異物,可能會刺破隔絕部分,引起短路。


在電池中析出金屬之要因


再來則是要來看「金屬析出」,這裡可以在大致分成「鋰金屬」析出與其他的金屬析出兩大類。


鋰以外的其他金屬析出的原因,大致可以考量為「異物由來」、「活物質由來」與「過放電」三種問題。好比說,成為異物的金屬片,就算是不到可以刺破隔絕部分、尺寸上非常微小,還是可能會因為電池使用中析出了不純物體而逐漸長大。此外,就算製造時沒有混入金屬異物,使用在活物質(構成電池容量的電極材料)之中的金屬成分還是可能會造成析出的問題。


然後,「過放電」也是金屬析出的原因。雖然可能容易被誤會,但基本上鋰離子電池中並不會在電池中直接使用「鋰金屬」,只是以「鋰離子」(Li+)的形態存在,並且參與電池的反應。不過,在某些條件下,鋰金屬會從電池內部析出。


鋰金屬的析出主要可以認為是電極塗布不均勻或積層偏移等製造上的不良,也有跟電極厚度、面積、組合件等等設計問題有關,當然也跟電解液劣化、周邊溫度、通過電池的電流值等等電池使用環境有關。在這之中,鋰金屬析出最重大的要因,說的比較直接一點的話,就是「負極中鋰離子的濃度分布不均勻」。換句話說,就是因為什麼因素讓鋰離子集中在某個局部,就容易造成鋰金屬析出。


製造上的不良或是設計上的問題等等因素,都是實際上在使用產品的使用者無法對應的領域,但是因為電解液劣化產生分解物堆積在電極表面、灌入大電流的急速充電或是在低溫環境下使用等等用法,都很容易造成這個鋰離子濃度分布不均勻,因此使用者還是要特別小心注意各製造商推薦的電池使用規格,不要對電池造成太大的負擔。


在這些電池異常發熱的要因當中,關於電池製造不良的部分,雖然的確是有便宜的粗製濫造品流通於市場上造成的結果,但隨著各家公司導入提升品質管理進步方法來看,現狀是越來越難造成太大的問題了。由於大部分的產品其製造品質有達到一定的水準,也有防止過充電等等電池管理技術、並且使用考慮過電池劣化的運用方法,這些對於抑制電池發熱的問題有更大的貢獻。


不僅是防止起火,也必須考慮抑制被害程度到最小限度的對策


至於前面介紹過的「波音787電池問題」在之後,由美國國家運輸安全委員會(NTSB)負責進行事故調查。根據NTSB在2014年9月下旬公開的最終報告書中,明確指出相關事件是鋰離子電池內部短路才會造成發熱冒煙的問題。至於內部短路的原因,則是列舉了因為異物或是低溫環境下造成金屬析出的幾種可能性,但因為出示的電池都已經造成重大損傷、焦炭化了,所以無法特別鎖定是哪一種原因造成的。


從這事例來看,因為鋰離子電池而發生的起火事故,大多在事後驗證時很難特別鎖定出是哪一種原因造成的。因此,要能特別抓出甚麼原因、從「該怎麼做才能防止問題的發生?」的角度來看待電池安全問題的態度當然很重要,但是為了防止出現甚麼萬一的事態的安全機構或是事態發生之後能夠迅速反應的措施也是必須的;換句話說,從「怎麼樣才能將已經發生的問題被害抑制到最小限度」的角度來看,其對策也非常重要。


2019年3月,一場關於鋰離子電池的異常發熱問題的訴訟,成為了媒體注目的焦點。這場訴訟是因為筆記型電腦的電池包起火、導致燒傷的事件被認為是產品缺陷造成,被消費者要求製造商根據產品責任法提出損害賠償。最後東京地方法庭也認定這是產品缺陷問題,而命令被告的製造商支付損害賠償。


負責判決的法官認為雖然事故後的調查無法鎖定明顯的起火原因,但使用者的使用方法本身並無問題,因此可以推定「沒有預想起火可能性的電池包卻突然燃燒起來,顯然欠缺通常該有的安全性」。


換句話說,法官給了「即便是無法究明發生原因,在產品責任法上也會認定是產品缺陷,必須負起賠償責任」的判決,所以對產品製造方而言,如果在原因不明的狀況下就直接實施召回.更換產品的措施,可以說是異常發熱問題發生之後不夠徹底的對策。(單純無腦交換,而沒有從根本上解決問題,有可能再度發生同樣的問題)


今後,內建電池的產品出現異常發熱而造成訴訟的狀況下,沿用這個判例的可能非常之高,所以從事電池相關產品製造或銷售的人與公司,必須要更加重視異常發熱以及隨著而來的起火問題。在現況下只會做事後召回.交換對策,肯定是不夠充分的作法,生產製造端必須重新整理預想可能發生的問題,並在產品設計製造上加入對付預想文提的安全機構才行。


從過去的案例與實機驗證中學習抑制損害的方法


在思考上述問題的對策時,必須要有「過去的案例」與「實績的驗證」。在「過去的案例」上,活用相關的資料庫是非常有效的做法。好比說,在日本發生的各種產品事故或召回的資訊都有公開在日本產品評價技術基盤機構(NITE)的官網上。


此外,考量到在產品上施加的對策是否有效?會不會有出現沒有預想到的問題?等等狀況,因此「實機驗證」也很重要。不過,這樣的驗證實驗也伴隨著危險,或者廠商要單獨實施可能也會遇到實務上的困難。而筆者服務的日本Carlit危險性評價試驗所,就能提供實施產品就算起火或爆炸也不會危險的安全設備與實驗環境。


雖然老話重提,但筆者還是想強調,在鋰離子電池普及的現在,異常發熱以及隨之而來的起火事故,只要出現一次就能引起很大的問題。不過,另一方面,這些起火事件往往在事後要鎖定發生原因都很困難。因此製造內建電池產品的製造商就必須透過「過去的案例」與「實機驗證」的方法來好好思考這些問題的對應手段。


此外,對於使用產品的使用者而言,遵守製造商推薦的正確使用方法、不要用超過必要以上的方式嚴苛使用電池,這也非常之重要。還有,壽命已至的電池不要混在一般的垃圾之中,也請使用適切的方法來處理電池回收。


起火或爆炸這種景象是非常容易引人注目,的確給人帶來過度危險的印象,不過各種電池已經是我們日常生活中不可或缺之物,所以請大家不要只是過度恐慌,而是嚴守適當的使用方法,來和電池好好相處。


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