我一直在尝试为由 2S 20C锂聚合物(LiPo) 电池供电的小型机器人设计充电系统。如果我相信我在网上阅读的所有内容，我会相信 LiPo 会在我睡梦中杀死我并偷走我毕生的积蓄。如果你足够勇敢地使用锂聚合物电池，我读到的常见建议是“永远不要无人看管”，“永远不要在易燃或导电表面上充电”，以及“永远不要以超过 1 C的速度充电 ”。
我明白为什么这是谨慎的做法，但锂聚合物电池的实际风险是什么？
几乎每部手机，无论是安卓手机还是 iPhone，都包含锂聚合物电池，包括我自己在内的大多数人都会在无人看管的情况下充电——通常是放在易燃或导电表面上。然而，你从来没有听说过有人因为手机爆炸而起火。是的，我知道有一些奇怪的事故，但现代锂聚合物电池有多危险？为什么有这么多在线评论者将独立的锂聚合物电池视为等待引爆的炸弹，而对放在口袋里的锂聚合物却毫不犹豫？
每部手机（以及笔记本电脑和几乎所有带有可充电电池的东西）都使用锂离子/锂聚合物（就本讨论而言，基本上是等效的）。你是对的：就实际发生率而言，锂离子和锂聚合物是广泛使用的最安全的电池化学成分，没有之一。
这种现在无处不在的化学物质没有多次谋杀你和/或你的家人的唯一原因是这些细胞不会在无人看管的情况下充电。您可能不会亲自参加，但这些锂离子电池中的每一个都具有大量永久集成到电池组中的保护和监控电路。它充当看门人。它监控电池中的每个电池。
事实上，每一个手机电池、笔记本电脑电池、*任何可充电锂化学电池都受到最密切的监控、审查和积极管理，这与电池的“无人看管”截然相反。
而造成这么多额外麻烦的原因是因为锂离子电池实际上是那么危险。他们需要保护电路来保证安全，如果没有它，他们甚至都不安全。NiMH或NiCad等其他化学物质可以相对安全地用作裸电池，无需任何监控。如果它们变得太热，它们可以发泄（这发生在我个人身上），这可能会非常令人吃惊，但它不会烧毁你的房子或让你长时间呆在烧伤病房里。锂离子电池可以两者兼得，而这几乎是唯一的结果。具有讽刺意味的是，锂离子电池已成为最安全的包装电池，因为它是最危险的电池化学成分。
您可能想知道究竟是什么让它们如此危险。
其他电池化学成分，例如铅酸电池或镍氢电池或镍镉电池，在室温下不会加压，尽管热量确实会产生一些内部压力。它们还具有含水的、不易燃的电解质。它们以相对较慢的氧化/还原反应的形式储存能量，这种反应的能量释放率太低，无法喷射出 6 英尺长的火焰射流。或者任何火焰，真的。
锂离子电池根本不同。它们像弹簧一样储存能量。那不是比喻。嗯，就像两个弹簧。锂离子被迫在共价键阳极材料的原子之间，将它们推开并“拉伸”键，储存能量。这个过程称为插层。放电时，锂离子从阳极移出并进入阴极。这是非常机电的，阳极和阴极都因此受到很大的机械应变。
事实上，阳极和阴极都根据电池的充电状态交替增加或减少物理体积。然而，这种体积变化是不均匀的，因此完全充电的锂离子电池实际上对其容器或自身的其他部分施加了不小的压力。与其他化学物质不同，锂离子电池通常承受很大的内部压力。
另一个问题是它们的电解质是一种挥发性、极易燃的溶剂，会非常剧烈且容易地燃烧。
锂离子电池的复杂化学成分甚至不完全清楚，有几种不同的化学成分具有不同程度的反应性和内在危险，但高能量密度的都可能发生热失控。基本上，如果它们变得太热，锂离子将开始与以金属氧化物形式存储在阴极中的氧气发生反应，并释放更多的热量，从而进一步加速反应。
不可避免的结果是电池会自燃，将其高度易燃的溶剂电解质从自身喷出，并且在有新鲜氧气供应的情况下也会迅速点燃。这只是额外的火，然而，锂金属氧化仍然有大量的火，里面有充足的氧气储存。
如果它们变得太热，就会发生这种情况。如果它们被过度充电，它们会变得不稳定，机械冲击会使它们像手榴弹一样爆炸。如果它们过度放电，阴极中的一些金属会发生不可逆的化学反应，形成金属分流。这些分流器将是不可见的，直到充电使电池的一部分膨胀到足以使分离膜被其中一个分流器刺穿，从而产生完全短路，这当然会导致火灾等：我们知道的锂离子故障模式和爱。
因此，需要明确的是，过度充电不仅危险，而且过度放电也是危险的，电池会等到您将大量能量重新注入其中，然后才会对您造成惊人的失败，并且没有任何警告或可测量的迹象.
这包括消费电池。然而，所有这些保护电路都不太能够减轻高漏电应用的危险。高漏极会产生不小的热量（这是不好的），更令人担忧的是，它会对阳极和阴极造成巨大的机械应力。裂缝可能会形成并扩大，如果运气不好会导致不稳定，或者如果不太严重，则会缩短使用寿命。这就是为什么你看到 LiPos 被评为“C”的原因，或者说它们可以安全排出的速度有多快。请认真对待这些额定值并将其降级，既是为了安全，也是因为许多制造商只是在电池的 C 额定值上撒谎。
尽管如此，有时 RC Lipo 还是会无缘无故地燃烧起来。您绝对需要注意警告，切勿在无人看管的情况下向他们收费，以及其他一切。你应该买一个安全袋给它们充电，因为它可能会防止你的房子被烧毁（可能和你或你爱的人在里面）。即使风险非常低，它可能造成的损害也是巨大的，而减轻大部分潜在损害所需的措施是微不足道的。
不要忽视你被告知的一切——一切都是正确的。它来自那些已经学会尊重 LiPos 的人，你也应该这样做。您绝对要避免的事情是通过锂离子电池而不是在线和离线同行来教您这一课。后者可能会在论坛上激怒你，但前者会从字面上激怒你。
让我多谈谈他们是如何失败的。我已经讨论了机制，但真正发生了什么？锂离子电池实际上只有一种故障模式，即爆炸，然后在几秒钟内以巨大的火焰喷射出惊人的大量火焰，然后继续进行一般燃烧相关的活动一段时间。这是化学火，所以无法扑灭（锂离子电池即使在真空中仍会喷出巨大的火焰。氧化剂在里面，不需要空气或氧气即可燃烧）。哦，把水泼在锂上并没有什么好处，至少在减少火灾方面是这样。
这是一些失败的好例子的“最热门”列表。请注意，即使采取了适当的安全措施，这种情况有时也会发生在高排水 RC 案例中。将高耗电应用与更安全、电流更低的手机进行比较根本不是一个有效的应用。几百安培≠几百毫安。
为了安全使用锂电池，您必须像对待任何可以储存和快速释放大量化学和/或电能的物品一样尊重它们。电池越大，内阻越低（例如更高的 C 等级），您就越需要小心。它们可以安全使用……就像汽油可以安全使用一样，但要这样做，您必须了解它们的操作方式以及它们如何失效。
例如，当您考虑这一点时，毫不奇怪，例如，特斯拉电池与它所取代的油箱具有大致相同的风险水平……它们都存储了大量能量，可以在需要时迅速释放。好吧，实际上，我有点撒谎，因为特斯拉电池只能容纳一个小油箱/汽油箱的能量，而且它内置了更多的安全检查。
我已经在高性能 R/C 飞机和直升机（高达 90C 电池）中安全地使用大型 Lipo 电池大约 15 年（我是早期采用者。）除了我自己的经验之外，我在俱乐部里也有其他人的经验。过去我见过失败的包，但现在真的很少见，因为我们已经学会了尊重地使用它们。这是我在边缘生活中学到的。:)
最常见的故障模式是：
我听说过（但从未见过）最不常见的失败模式是：
上面列出的所有故障模式都可能导致“冒烟”或“冒火”。具有较少挥发性电解质的新型脂质可以“冒烟”，但您永远无法确定；所以你必须为更坏的情况做计划。
这是使用我使用的高放电量（任何 R/C 包都是高放电量）裸脂包的最低标准操作程序 (SOP)：
物理保护
顺便说一句，与@metacolin 所写的不同，将 Lipo 放电至低电压是安全的，并且是在处理包装之前最好做的事情。您想从包装中去除所有化学能以使其安全。不安全的是将电池放电到 2V 以下，然后再充电。给低压电池充电会导致锂析出，使电池不稳定。
充电（这是安全最关键的时候）
卸货
热
长寿
所以，是的，如果您制定安全的 SOP 并采取措施降低风险，您可以在机器人中使用 Lipo。在您完全了解安全 SOP 之前，我什至不会考虑制作您自己的充电器或 BMS。聪明的人已经花了很多年的时间。
否则，根据您的设计需求，也许一个简单的 NiMh、SLA 电池就可以满足您的需求。然而，即使是 NiMh 和 SLA 电池，他们也有自己的 SOP 需要遵循。例如，如果 NiMh 电池过度充电并且其压力阀发生故障，则它们可能会在充电过程中因压力而爆炸。SLA产生氢气！在充电过程中......所以他们需要通风良好。
记住一切有用的东西也可能是危险的。Lipo 并不比一把厨师刀或装满煤油的飞机机翼差。诀窍是学习如何明智地使用它们。
@metacollin，写道 Lipo “阳极和阴极经历了显着的机械应变”
错误...锂聚合物电池在正常运行期间没有受到任何显着压力。这就是为什么它们可以装在塑料袋中的原因。
但不要相信我的话。看这位专家在 10:00 说的。（剧透警告：他称这种影响是“良性的”。）
https://www.youtube.com/watch?v=pxP0Cu00sZs
PS 如果您想从专家那里获得信息，我强烈建议您观看整个视频（而不是在这里假装是专家的人。）
NiMh 或 NiCd 化学物质实际上在应变/压力累积方面更危险。如果过度充电，两者都会产生过量的氧气。这就是为什么 NiMh 和 NiCd 电池被装在带有安全通风口的圆形金属罐中而不是像 LiPo 那样的塑料容器中的原因之一。阅读本规范。完整解释表：
http://data.energyr.com/PDFs/nickelmetalhydrode_appman.pdf
@metacollin，“他们需要保护电路来保证安全，如果没有它，他们甚至都不安全。”
真。然而，重要的是电池和充电的完整系统协同工作，以保持电池的所有电池在规格范围内运行。有不止一种方法（拓扑）可以做到这一点：
因为安装在电池上的“保护”电路的尺寸有限，所以它们通常只适用于低电流情况。
如果您需要熔断器，您可以将合适的熔断器与包装一起放置。
这就是 R/C 用户所做的，因为他们希望电池尽可能轻且能够提供大电流。
从安全方面来看，所有这些设置都与完整的系统做同样的事情。他们只是以不同的方式做到这一点，因为它们针对不同的参数进行了优化。
当一家大公司想要制造 LiPo 充电器时，他们可以：
A. 配备专家并进行广泛的测试，以确保充电器在所有操作条件下都能安全工作。
B. 购买经过同等护理的预制 IC 或组件。
C. 将工作分包给知道自己在做什么的人。
当您在家中构建充电电路时，您不会做任何这些事情。
正如YouTube 搜索可以告诉你的那样，LiPo 电池肯定会起火。你会发现有人用钉子甚至斧头积极地破坏电池，但你也可以找到更现实的例子，比如一架遥控飞机因充电问题而猛烈燃烧。
因此警告——网上的人不能保证自制的充电电路永远安全工作，锂聚合物的故障模式是“炸弹”。毕竟，这就是炸弹——大量能量被迅速释放。
[虽然这个迟到的答案可能很少曝光，因为这个问题已经退出了热门列表，但我认为有必要进一步强调笔记本电脑和手机等设备的综合安全功能与通常远不那么全面的安全功能之间的对比。爱好者或 DIY 设备中的功能。]
在评估您引用的那些可怕的安全警告时，上下文是必不可少的。它们不针对笔记本电脑和手机（来自知名制造商）等采用紧密集成的电池管理/保护电路来保证安全的设备。相反，它们针对的是不太安全的设备，例如在 RC 爱好中使用的未受保护的 LiPo 电池，为遥控汽车、飞机等提供动力。下面我们将更深入地了解这些安全差异。
与消费者熟悉的其他电池化学成分不同，基于锂离子化学成分的电池本质上更不稳定。因此，它们需要非常精心设计的电池管理电路来保护它们免受灾难性故障的影响。这包括防止它们进入危险状态（充电不足或过度充电、过热、过流等）的机制，此外，当危险情况出现时（例如，通过 FET、PTC 或一次性保险丝）可能会禁用它们。这种逻辑甚至可能包括复杂的算法，这些算法可以持续监控电池的健康状况，以预测即将发生的严重故障（例如可能导致热失控的内部短路）。
与大多数用户组装的爱好 / DIY 设备不同，对于笔记本电脑和手机，制造商拥有对整个电池电源子系统的设计控制权，因此他们可以设计一个非常紧密集成的系统，包括复杂的容错保护机制。此类设计遵循久经考验的行业标准，并采用多级冗余和综合故障分析方法，例如故障树分析或FMEA = 故障模式和影响分析。
您可能会对此类分析的全面性感到惊讶，例如，以下是IEEE 1625 2004中考虑的 96 个案例中的 2 个，包括宠物在设备（PC）上小便的案例。
您可能还会对所采用的故障保护的高冗余度感到惊讶，例如，根据上述行业标准，笔记本电脑电池必须实施至少两种独立的方法来关闭充电 FET 以防止灾难性的过度充电。此外，如果这两种方法都失败了，那么故障安全化学保险丝必须熔断。这是一种特殊的电压触发 3 端子保险丝，即使在电池电压因短路而降至极低的极端条件下也能发挥作用。
将上述内容与您的 DIY 项目或 RC 爱好进行对比，最终用户负责集成电池子系统的组件并确保它们安全地一起运行（组件是电池、BMS/PCM 保护板、设备和充电器）。有许多障碍阻碍了这一点。用户可能缺乏足够的知识。用户可能无法访问数据表和技术信息，这些信息通常不会提供给消费者（电池制造商强烈反对消费者直接使用，例如，最近索尼向纽约市一家销售索尼 18650 电池的电子烟商店发出停止和停止令 - 见下文） . 缺乏标准的通信协议，例如SBS = 智能电池系统在 RC / 爱好世界中，限制了子系统之间的通信，这大大增加了设计复杂安全机制的难度，例如笔记本电脑中的安全机制。
这是一个真实的例子：来自 TI 电池电量监测计支持论坛的问题。
我想知道这些化学保险丝是否是锂离子电池组的强制性元素。我正在与一家中国锂离子电池组供应商合作，他们基于 bq20z45-R1 电量计 IC 制作了电池组设计，但没有化学熔断器电路。此外，没有二次过压保护 IC，例如 bq29412。商用锂离子电池组应用是否需要化学保险丝和 bq29412（或类似 IC）？有监管要求吗？顺便说一句，我正在从事医疗设备设计。
上面我们有一个电池组的例子，它缺乏上述的第 2 和第 3 级过充电保护。在许多更便宜的电池管理系统中，这种安全功能的遗漏很常见。更不用说一些大大夸大实施保护水平的不可靠的中国制造商。为了识别这些遗漏并理解其后果，当最终用户是工程师时，他们必须具有足够的该领域的背景知识。缺乏这些可能会导致设计存在严重的安全缺陷。这就是LG、松下、三星、三洋和索尼等知名电池制造商拒绝直接与消费者打交道的原因。如果一个人没有足够的知识来确保安全设计，那么风险就太大了。
下面是上面提到的索尼信。这是知名电池制造商对消费者使用散装电池所带来的严重安全风险的典型态度。
为方便起见，以下是信中给出的链接：
电子香烟火灾和爆炸，美国消防局，FEMA，2014 年 10 月
电池安全，消费者技术协会。