[UL 專題論壇] 波音 787 鋰電池事故的失效機制調查報告

夢幻客機 787 被停飛，起因於飛機鋰電池的失效事故。

事件發生後，波音公司很快提出電池系統設計的改善方針，並於意外事故發生後約四個月再度讓該飛機成功復飛，只是這套改善措施並非徹底改造電池設計，而僅是針對電池失效後的擴散進行防堵與控制，此意謂波音對其鋰電池失效的根因仍亳無頭緒。美國國家運輸安全委員會 (NTSB) 身為該事件的主要調查者，在事件發生後即積極在美國境內尋求各界專家協助，直至獲得 UL 研發團隊的技術支持，問題背後的答案終於顯露曙光。

作者：UL 台灣研發工程師吳明龍

猶記日本兩家主要民航公司 ANA 與 JAL 於 2013 年 1 月同時宣佈全面停飛波音 787 民航機，在當時曾引起軒然大波，畢竟此一決定將造成 ANA 每天高達一百萬美金以上的財務損失¹；隨後，美國聯邦航空總署 (FAA) 繼而宣告美國所有航空公司全面禁飛該款飛機，直至其安全改善計畫獲得認可為止。號稱夢幻客機的 787 型號飛機被停飛的主因，需回溯至 2013 年 1 月上旬的不到十天內連續發生兩起飛機鋰電池的失效事故。據美國波音公司表示，787 飛機裝載了先進的鋰電池電力系統，可大幅降低該機型飛機對於燃油的依賴與高達 20% 以上的損耗²，然而連連事故對波音來說，無疑重擊其民航機電氣化發展大計。

事件發生後，波音公司很快提出對該電池系統設計的改善方針，並於意外事故的約四個月後再度讓該飛機成功復飛，只是這套改善措施其實並非徹底改造電池設計，而僅是針對電池失效後的擴散進行防堵與控制，此意謂波音對其鋰電池失效的根因仍如大海撈針亳無頭緒。美國國家運輸安全委員會 (NTSB) 身為該事件的主要調查者，在事件發生後即積極在美國境內尋求各界專家協助調查主因，卻始終一籌莫展。直至 2013 年 8 月底，NTSB 正式與 UL 簽約並獲得 UL 研發團隊的技術支持後，問題背後的答案終於顯露曙光。

UL 在取得該項任務的調查授權後，短短半年內，從確立研究計畫、部署測試資源進行實驗、到測試資料收集分析、提出調查結果與失效機制推演，共串連 UL 美國與台灣共三處實驗室資源，動員超過 20 位涵蓋電池材料、化工、機械與電子電路技術專家的深度參與，終於在 2014 年正式對外發表共 5 份總數超過 600 頁的技術報告³。

具體而言，此調查案的方法與主要結論可藉由《圖一》簡示。UL 透過一系列的逆向工程技術、材料分析、熱性能分析、系統應用與誤用條件模擬，針對設計、製造與使用條件等三個面向，系統性地找出問題線索與答案。以設計端來說，該電池的材料設計為具有高活性的鋰鈷氧材料系統，在電池失效時超過攝氏數百度的高溫過熱將難以避免；以結構設計來說，其電池外部端子與電池芯內部的極耳連接處之設計不良，將致使應力不均的使用條件下，在電池高功率放電時產生局部高溫熱點，而電池極捲的捲繞式設計，則會使得電池製造過程中不易控制極捲中應力的均一性，所以在後端使用時將容易造成極捲的捲曲與變形；最後，在航空應用的低溫使用環境下所誘發的極化效應，使得充電時容易產生鋰金屬沉積，同時又因低溫使用時，該電池在高功率使用條件下的效率衰退可達到 30%，此時再加之前述的各種失效因數集結，在端子接觸點間高溫熱點的產生將可高達150^oC以上，進而可能造成熱量擴散形成隔離膜的熔解與內短路的產生，在這樣種種的不良條件下，以單電池芯的失效為起因，然後進一步誘發整組電池的連鎖過熱反應。

簡言之，此調查案之所以能夠不負眾望達成目標，除了基於 UL 近十年來對於鋰電池安全科學的深度研究外，更由於 UL 特有的針對不同領域技術之橫縱向整合能力具體展現。從技術面來說，UL 成功結合了從電池材料與組件端的設計解析、電池芯基礎特性與電池組系統性能分析，並且及至鋰電池失效機制的模擬與驗證。此計畫的成功代表的不僅在於針對該事件找出問題的潛在原因，而是對於原本看似單純的電池失效事件，提供一個從微觀的材料元件分析到系統面宏觀整合模擬的具體解決方案，堪稱鋰電池失效分析的最佳典範。

資料來源：

1. “Boeing Dreamliners grounded worldwide on battery checks”. Reuters. January 17, 2013. Retrieved January 21, 2013.
2. http://news.nationalgeographic.com/news/energy/2013/04/130423-reshaping-flight-for-fuel-efficiency/
3. http://www.ntsb.gov/investigations/pages/boeing_787.aspx