鋰與鋰離子電池安全技術解析：標準、測試與未來發展趨勢

certgrouppub
2025年2月6日
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依據適用標準確保這些重要技術的安全性

鋰與鋰離子電池已成為現代生活不可或缺的一部分，它們體積小、重量輕，且因具備高能量密度而具有較長的壽命；從醫療、消費電子、工業應用到運輸產業，這些小型、輕便的能量來源廣受製造商青睞；然而，若電池設計缺陷、材料品質低劣、組裝不良、使用或充電不當，或遭受損壞，可能會產生風險；此外，鋰電池的高能量密度也讓其容易過熱，甚至可能引發火災。基於此，製造商在開發與應用鋰電池產品時，須遵循多項安全標準。

UN 38.3：鋰電池運輸安全標準

鋰電池在運輸過程中可能引發火災，因此被歸類為危險品。在國際運輸過程中，鋰電池須符合《聯合國試驗與標準手冊》第 38.3 條（UN 38.3）的規定，此標準適用於單獨運輸的電池或嵌入設備內的電池，涵蓋整個供應鏈，包括供應商到終端製造商、製造商到分銷商、設備運輸或產品退貨。

UN 38.3 規範的主要內容

分類：
- UN 3090（鋰電池）與 UN 3480（鋰離子電池）：適用於單獨運輸的電池、電池模組、行動電源等。
- UN 3091（裝有鋰電池的設備）與 UN 3481（裝有鋰離子電池的設備）：適用於內建電池的設備或與設備一起運輸的電池。
測試與認證要求（測試 T1-T8）：
- T1-T5 測試（適用於所有電池類型）：
  - T1：高度模擬
  - T2：熱衝擊
  - T3：振動
  - T4：衝擊
  - T5：外部短路
- T6 測試（一次性與可充電電池）：衝擊與擠壓
- T7 測試（僅適用於可充電電池）：過充電
- T8 測試（一次性與可充電電池）：強制放電
設計指導：
- 設計須包含安全洩壓裝置，防止劇烈爆裂。
- 採取措施防止外部短路。
- 並聯電池應具備防止逆流的保護機制。
包裝與運輸：
- 標籤須清楚標示鋰電池的火災風險。
- 禁止鋰離子電池以貨運形式運輸於客機上。
- 單獨運輸的鋰離子電池須維持 30% 以下的充電狀態（SOC）。
- 醫療設備電池若需高於 30% SOC 運輸，須獲得主管機關批准。

IEC 62133：全球市場的鋰離子電池標準

IEC 62133 是全球市場最重要的鋰離子電池安全標準之一，針對可攜式封裝二次電池與相關安全操作進行規範。目前存在兩個主要版本：

IEC 62133-2（第 1 版）：
- 針對鎳（IEC 62133-1）與鋰（IEC 62133-2）化學成分進行獨立規範。
- 擴展測試條件，包括單一故障條件（Single Fault Conditions）。
- 外部短路測試須在 55°C 環境下進行。
- 震動與機械衝擊測試重新納入標準，並與 UN 38.3 測試條件保持一致。

此標準已於 2020 年 3 月被歐盟採納，美國與加拿大亦已導入 ANSI/UL 62133-2 和 CSA C22.2 No. 62133-2:20。

鋰離子電池的結構與工作原理

鋰離子電池主要由以下組成部分構成：

正極材料（Cathode）：常見的材料包括鈷酸鋰（LiCoO₂）、磷酸鐵鋰（LiFePO₄）等。
負極材料（Anode）：通常為石墨或矽基材料。
電解液（Electrolyte）：使用含有鋰鹽（如 LiPF₆）的有機溶劑。
隔膜（Separator）：用於防止正負極直接接觸，避免短路。
外殼（Enclosure）：提供機械保護，防止外部影響導致內部損壞。

鋰離子電池安全

鋰離子電池廣泛應用於電子設備與電動車，但若受損，可能導致火災或爆炸，例如，在事故中受損的鋰離子電池可能會發生熱失控（thermal runaway），導致電池燃燒。此外，當電池浸泡於鹽水中時，可能發生短路，導致類似的結果；這類案例曾發生於美國佛羅里達州的颶風伊恩（Hurricane Ian）後，當地消防部門報告稱有 21 輛電動車（EV）因浸水導致電池燃燒。

電動車（EV）安全措施

颶風或洪水前應斷開充電裝置，並將車輛移至遠離建築物的安全區域（至少 15 公尺）。
EV 電池若受損，不可嘗試充電或行駛，應由專業技術人員檢測。
充電時應使用經認證的充電裝置，並遵循製造商的操作規範。
若電池散發異味、顏色或形狀改變、溫度升高或出現煙霧，應立即停止使用。

鋰離子電池設備安全管理

存放環境：應存放於陰涼乾燥處，避免暴露於極端溫度（理想溫度範圍為 20°C 至 25°C）。
避免物理損傷：避免摔落或刺穿，以防內部短路。
回收與處理：應交由指定的回收中心處理，不可隨意丟棄於一般垃圾。
充電設備：使用原廠或經認證的充電器，避免過充電或過度放電。
高功率設備管理：如遊戲筆電或無人機等高功率設備可能增加電池負載，若設備過熱或電池膨脹，應立即停止使用。

鋰電池的未來發展趨勢

目前，鋰電池的技術發展方向主要集中在以下幾個方面：

更高能量密度
- 透過使用新型正極與負極材料，如固態電解質與矽基陽極材料，提高能量密度。
- 研究鋰金屬電池與鋰空氣電池，以進一步提升電池容量。
快充技術
- 採用新型電解液與離子導電材料，以提高充電效率並降低充電時間。
- 研發可支援超快充（如 10 分鐘內充滿 80%）的鋰電池技術。
安全性增強
- 開發具有更高耐熱性的電解液，以降低熱失控風險。
- 透過人工智慧（AI）監控電池狀態，預測並防止過熱與過充問題。
環保與回收技術
- 研究新型回收技術，提高鋰、鎳、鈷等材料的回收率。
- 研發低鈷或無鈷電池技術，以降低對環境的影響。
- 開發生物可降解電池材料，減少電子廢棄物的影響。