專題論壇 | 鋰電池存在必然風險 安全應有新思維
「鋰」清問題 UL 公開電池失效分析「爆」你知
談鋰電池存在必然風險 安全應有新思維
UL 媒體講座內容紀錄。主講人：UL 研發技術總監 王凱魯 博士
隨著二十世紀末微電子技術的快速發展，「鋰電池」的應用早已無形的滲透在日常生活中，小到可攜式的電子產品如耳機、手機、行動電源，大到交通運輸工具如電動汽車等的大小鋰電池，可謂宣告新型態的「鋰生活」已正式來臨！
無法杜絕的鋰電池安全問題
但鋰電池的安全狀況不斷，產業紛紛委託UL尋求答案。從UL十多年的電池安全研究，我們了解到雖然透過安全標準的要求可以大幅降低電池安全的問題，然而要達到完全杜絕鋰電池起火的要求，仍然是非常困難！
鋰電池一定有的失效風險：熱失控
鋰電池為什麼危險？從鋰電池的基本運行原理中就可窺知一二。市面上絕大部分鋰電池的主要成分除了正負極材料外，還有電解液與隔離膜。這些材料與結構的特殊組合造成了鋰離子能在電池正負極中來回，形成充電與放電的作用。然而這些材料本身在高溫下具有不穩定的特性，一旦遇到內短路或是其他情況引起的高溫，就可以分解出構成燃燒的要件：氧與可燃物。若是這樣產生的熱無法散去，就會在電池內部持續循環加速反應，產生所謂的「熱失控」，顧名思義就表示了這樣的失效無法控制，相當危險。
隨著鋰電池的應用層面廣，安全疑慮也因此擴大。一般手機僅使用了單顆電池，但電動車、儲能系統等應用，動輒使用上千顆、上萬顆，倘若一顆失效，就可能發生像是放鞭炮一樣的連鎖效應，一個接著一個，造成嚴重的傷害與損失。
因此，UL研發技術總監王凱魯博士提醒，「千萬不可以假設鋰電池一定是沒有問題的，要使用鋰電池，就必須了解它有一定的失效風險。」而鋰電池的用料、結構、系統設計絕對會影響熱失控發生時的嚴重性。
UL從研究案例，釐清電池失效原因
UL憑藉在電池安全領域的專業與經驗，接手許多來自全球的各種電池安全調查，剖析電池失效事故的原因，以三星Note7起火與波音787飛安事件的電池失效調查發現為例。
三星Note 7電池問題，主要是來自兩家不同的電池供應商在製程品管上分別發生問題。其一是在電池組裝過程中，鋰電池角落受壓力變形，造成隔離膜無法有效阻隔正負極，而產生內部短路；另一則是鋰電池極耳的超音波焊點突出部位未貼上絕緣膠帶，造成內部短路起火，導致產品全面下架回收。
而波音787的鋰電池則是由於鉚釘的設計，受到飛機引擎與起降等震動使其接觸不良，在高電流下使得局部發熱造成隔離膜融化，同時系統設計未考慮電芯間洩壓閥與失效熱傳遞的影響，造成2013年在一個月內發生兩起的飛安事件。
總觀而言，UL提出鋰電池會出問題的真正原因有二，一是在設計產品時，把電池當成了一般元件使用，但不同於以前的傳統電池，鋰電池本身存在不可抗的熱失控問題必須被徹底了解，電池的品質也須進行嚴格控管；另亦沒有考慮到什麼樣的環境下使用才安全，做出最適當的要求；二則是沒有對電池失效做出最壞情況的打算，忽略了失效所可能產生的風險與嚴重性。
在UL分析過後，這兩個案例也開始重新思考看待鋰電池的方式。三星從加強品質管控下手，也徹底去評估電池安全範圍與失效後的損害。而波音則接受了電池會熱失控的現實，從系統端著手改善，利用設計去緩解電池熱失控後的失效蔓延。
鋰電池安全應用必須要有新思維
鋰電池確實存在不可控的潛在危險！因此，UL不停UUL呼籲對於鋰電池的安全要有新的思維模式，若要應用鋰電池在產品上，就必須認清現實，鋰電池一定有安全風險，不能當作一般元件使用，要懂得如何要求電池的安全性，一方面從品質把關著手，降低出問題的機率，一方面從設計著手，充分了解電池的特性，考量安全使用範圍，並思考可能失效的方式與嚴重程度，將緩解失效的模式設計出來，降低電池失效的嚴重性。
此外，UL認為預測失效相當重要，王博士重申，電池系統的失效模式應該是被“設計”出來的，完善的失效模式設計可以降低傷害的嚴重性。波音787的新電池設計就是最好的例子，將產生熱失控的熱能透過導管排到機身外，降低失效的嚴重性，有效控制失效後的損害。
電池安全標準也有新趨勢
UL於今年推出最新版針對儲能系統的UL 9540A 測試方法標準，由於鋰電池是目前儲能系統的首選，隨著美國紐約地區核能電廠陸續退役，為緩解電力需求，開始規畫於大樓內自建儲能系統，但因鋰電池本身存在不可控的失效問題，因此不同於以往，推出新的測試方法，並從考量最壞的情況出發，直接評估儲能電池在熱失控起火後的燃燒情況，在安裝儲能系統時，由系統廠商提供給當地消防人員，藉此了解該儲能電池系統在熱失控下的火災特性，進而提供消防系統設計出應對方法的依據。
UL是電池安全技術的領導者。從基本的電池芯標準ANSI/UL 1642、電池組標準ANSI/UL 2054，延伸到發展各領域如行動電源、平衡車、電動車、儲能對應標準。在儲能領域，從第一代固定電池組標準ANSI/CAN UL 1973、到全球第一本儲能系統標準ANSI/CAN UL 9540，以及最新出版的UL 9540A測試方法。面對鋰電池，UL也以新思維因應，要求了解鋰電池的應用特性，提出層層防護的安全要求。
王博士也以航空業者舉例，對於貨機機師來說，相較於單顆引擎的故障，更怕貨艙傳出的「失火警訊」！不僅要考慮到機上消防設備有可能不足以應付的火勢，更要考慮到迫降及排泄燃油對於環境的問題。因此航空業者對於「鋰電池的飛安」新思維也轉向了解熱失效的燃燒狀況，提出相對應的消防設計與防護應對。
鋰電池的安全使用，需要你我共識
鋰電池確確實實存在的安全問題。除了製造商必須認清及防範使用鋰電池可能帶來的安全風險外，一般消費大眾也同樣有責任，必須正視鋰電池的危險，了解如何安全使用，像是搭乘飛機，就必須遵守將鋰電池產品置放在隨身手提行李中，以減少飛安問題的產生。也因此，唯有每一個人都有安全共識，才能降低鋰電池發生意外帶來的傷害。