鋰離子電池安全測試條件的研究

王彩娟，宋 楊，金 挺，趙 永

(吳江出入境檢驗(yàn)檢疫局電池產(chǎn)品檢測實(shí)驗(yàn)室，江蘇 吳江 215200)

鋰離子電池安全性能的研究［1－2］倍受關(guān)注，標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)制定的鋰離子電池檢測標(biāo)準(zhǔn)也日趨細(xì)化。外部短路和重物撞擊測試是鋰離子電池檢測標(biāo)準(zhǔn)中典型的安全測試項(xiàng)目，都可能導(dǎo)致電池發(fā)生內(nèi)部短路而失效?，F(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中的測試條件還有不明確的部分，可能會(huì)影響測試的結(jié)果。

本文作者研究了外部短路和重物撞擊測試中不明確的測試條件對(duì)結(jié)果的影響，以期為鋰離子電池安全性能的有效評(píng)估提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 儀器與材料

儀器:FBIM-1 型防爆撞擊箱(蘇州產(chǎn))、SET-010F 型小型高溫箱(廣州產(chǎn))和安全項(xiàng)目綜合測試儀(無錫產(chǎn))。

實(shí)驗(yàn)電池樣品:18650 型鋰離子電池芯(南京產(chǎn)，3.6 V、2 150 mAh)，鋁塑膜包裝鋰離子電池芯(吳江產(chǎn)，150 mm ×82 mm×11.5 mm，3.8 V、10.0 Ah)。

1.2 測試內(nèi)容

1.2.1 重物撞擊

在運(yùn)輸和使用過程中，鋰離子電池有可能遭遇外來重物的撞擊而發(fā)生嚴(yán)重變形，引發(fā)內(nèi)部短路。在這種狀況下，鋰離子電池安全性能的好壞十分重要。在撞擊后，電池的溫度上升至120℃以上，隨后，通過泄氣或隔膜阻斷，使溫度逐漸下降。如果無法正常泄氣或隔膜阻斷，內(nèi)部短路將繼續(xù)進(jìn)行，電池就可能會(huì)熱失控，甚至爆炸、起火。在試驗(yàn)過程中，重物撞擊在電池表面的鐵棒上，電池因外力的作用而變形，內(nèi)部隔膜受擠壓破裂，使電池發(fā)生內(nèi)部短路，產(chǎn)生一個(gè)較大的放電電流通過正負(fù)極，導(dǎo)致電池發(fā)生多層的內(nèi)部短路。在撞擊過程中，鋼棒與電池接觸方式的不同，可能導(dǎo)致電池承受不同強(qiáng)度的撞擊，引發(fā)不同強(qiáng)度的內(nèi)部短路?，F(xiàn)有鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)中的重物撞擊項(xiàng)目規(guī)定了重物質(zhì)量、鋼棒直徑和跌落高度，但對(duì)鋼棒的放置方式，沒有很明確的規(guī)定［3－6］。

在實(shí)際使用的過程中，重物撞擊的強(qiáng)度往往不同。按照UL1642-2012 中第14 條款的方法，重物撞擊測試時(shí)只要求受試電池的長軸平行于平面，且與放在試樣中心的鋼棒的長軸垂直，但對(duì)鋼棒是否應(yīng)平行于平面，沒有明確的規(guī)定。

為了研究鋼棒的不同放置方式對(duì)撞擊強(qiáng)度的影響，本文作者以鉻銅合金為樣品進(jìn)行模擬測試，對(duì)實(shí)際重物跌落時(shí)鋼棒可能存在的兩種放置方式進(jìn)行測試。每種放置方式平行測試3 次。撞式方法a.將鋼棒側(cè)放在鉻銅合金上，鋼棒的一側(cè)與平面接觸，在撞擊的過程中，重物通過鋼棒撞在鉻銅合金的側(cè)面，如圖1a 所示;撞擊方法b.將鋼棒平行放置在鉻銅合金上，與平面平行，在重物撞擊的過程中，重物通過鋼棒撞在鉻銅合金的正中心，如圖1b 所示。

圖1 重物撞擊試驗(yàn)示意圖Fig.1 Schematic diagram for test of heavy impact

隨后，以18650 型鋰離子電池芯(滿電)為樣品，進(jìn)行了重物撞擊測試。

1.2.2 不同線阻下的外部短路

鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)IEC62133［7］和UN38.3［8］中的外部短路試驗(yàn)，只規(guī)定了短路線阻的上限，未規(guī)定下限。

對(duì)鋁塑膜包裝鋰離子電池芯在不同的短路線阻條件下進(jìn)行測試，短路用導(dǎo)線材質(zhì)為銅鞭，長度為40 cm，截面為長方形，接觸方式為正、負(fù)極片夾在兩塊銅片之間連接，研究外部短路線阻對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。直接對(duì)粘有聚丙烯(PP)材料的負(fù)極端子在不同電流(10A、20 A、30 A、40 A 和50 A)下進(jìn)行通電測試，研究短路線阻影響試驗(yàn)結(jié)果的原因。

2 結(jié)果與討論

2.1 重物撞擊結(jié)果與原因分析

試驗(yàn)結(jié)果表明，重物撞擊時(shí)鋼棒的兩種不同放置方式會(huì)導(dǎo)致受試鉻銅合金被撞擊處的深度、長度和面積產(chǎn)生較大的差異，如圖2 和表1。

圖2 鉻銅合金重物撞擊試驗(yàn)的結(jié)果Fig.2 Results of heavy impact test with chromium copper alloy

表1 鉻銅合金重物撞擊試驗(yàn)的數(shù)據(jù)Table 1 Data of heavy impact test with chromium copper alloy

從表1 可知，正中心撞擊和側(cè)面撞擊對(duì)鉻銅合金造成的平均損害面積分別為31.942 mm2、24.100 mm2，正中心撞擊對(duì)鉻銅合金造成的損害面積，比側(cè)面撞擊高出32.5%。

對(duì)18650 型鋰離子電池芯(滿電)進(jìn)行上述測試，按圖1a放置的5 只均未起火，按圖1b 放置的5 只中，有3 只起火。這說明:在實(shí)際使用的過程中，如果該類圓柱形鋰離子電池遭受不同角度的重物撞擊，受損程度會(huì)有很大的差異，產(chǎn)生的危險(xiǎn)性也會(huì)有很大的差別?，F(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中重物撞擊測試條件不夠明確，對(duì)實(shí)際狀況的模擬程度有很大的局限性。

鋁塑膜包裝或方形鋁殼包裝的電池，由于是棱形或接近棱形，當(dāng)鋼棒放置在電池表面時(shí)，鋼棒與電池是軸向相切的，始終與電池表面平行，不存在鋼棒一側(cè)與平面接觸的情況。

2.2 不同線阻下的外部短路結(jié)果與原因分析

電動(dòng)自行車用電池的鋰離子電池芯，單芯容量一般約為10 Ah，電阻很小(20 mΩ 以下)。不同的短路電阻會(huì)對(duì)外部短路的電流產(chǎn)生很大的影響，并影響測試結(jié)果。線阻對(duì)外部短路測試的影響見表2。

表2 線阻對(duì)外部短路測試的影響Table 2 Effect of wire resistance to external short circuit test

從表2 可知，以37 mΩ 的線阻進(jìn)行外部短路測試時(shí)，會(huì)使電池芯負(fù)極端子的PP 材料被燒毀。在開始測試的2 min內(nèi)，鋰離子電池芯負(fù)極端出現(xiàn)火苗，隨后熄滅。試驗(yàn)完畢后，鋰離子電池芯負(fù)極端有開口的現(xiàn)象。

直接對(duì)粘有PP 材料的負(fù)極端子在不同的電流下進(jìn)行通電測試，測試結(jié)果見圖3 和表3。

圖3 不同電流對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Test results corresponding to different current

表3 不同電流對(duì)應(yīng)的發(fā)熱溫度Table 3 Heating temperature corresponding to different current

從表3 可知，當(dāng)通過負(fù)極端子處的電流超過40 A 時(shí)，負(fù)極端子的溫度可達(dá)400℃，比PP 的著火點(diǎn)(300～440℃)高，粘著的PP 材料被燒毀。

試驗(yàn)電池的負(fù)極耳為鎳片(190 mm×95 mm)，負(fù)極端子處的電流密度(J)用式(1)計(jì)算:

式(1)中:I 為電流，S 為面積，U 為電壓，R 為總電阻。當(dāng)U=4.2 V 時(shí)，若R=57 mΩ［37 mΩ(線阻)+20 mΩ(鋰離子電池芯內(nèi)阻)］，則I=73.6 A，即J=4 077 A/m2。

根據(jù)試驗(yàn)過程中監(jiān)測到的負(fù)極端子的發(fā)熱溫度隨電流的變化情況(表3)，繪制了溫度峰值與電流的關(guān)系曲線，如圖4 所示。

圖4 不同電流下的溫度峰值Fig.4 Heating temperature peak value corresponding to different current

從圖4 可推測，當(dāng)負(fù)極端子通過75 A 的電流時(shí)，發(fā)熱溫度將達(dá)到800℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過負(fù)極PP 的著火點(diǎn)。當(dāng)試驗(yàn)線阻值為37 mΩ 時(shí)，通過負(fù)極端子的電流將達(dá)73.6 A，發(fā)熱溫度將接近800℃，此時(shí)負(fù)極PP 會(huì)被引燃。這說明，外部短路線阻對(duì)短路電流和發(fā)熱溫度有重要的影響。

現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于外部短路的線阻值的規(guī)定應(yīng)更細(xì)化，明確規(guī)定線阻值的上、下限，會(huì)更有利于測試結(jié)果的一致性，便于進(jìn)行符合性判定。

3 小結(jié)

對(duì)于檢測方法特別是安全項(xiàng)目檢測方法，由于測試過程中可能會(huì)導(dǎo)致電池發(fā)生內(nèi)部短路，如果參數(shù)要求不明確、不規(guī)范，就會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部短路程度有很大差異，從而可能會(huì)對(duì)測試結(jié)果的一致性造成很大影響。在重物撞擊試驗(yàn)中，電池芯上鋼棒放置的位置不同會(huì)造成撞擊強(qiáng)度產(chǎn)生很大的差異，導(dǎo)致不同的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于樣品的符合性評(píng)價(jià)有很大的影響。同樣，對(duì)于外部短路試驗(yàn)，由于在不同的短路電阻下短路電流會(huì)產(chǎn)生很大的差異，如果對(duì)試驗(yàn)的短路電阻值規(guī)定的不夠明確，就可能在不同的短路電阻下產(chǎn)生相反的試驗(yàn)結(jié)果?，F(xiàn)有電池標(biāo)準(zhǔn)中的重物撞擊、外部短路等安全項(xiàng)目的測試條件和測試參數(shù)還不夠明確，有待進(jìn)一步完善。

［1］TANG Zhi-yuan(唐致遠(yuǎn))，CHEN Yu-hong(陳玉紅)，LU Xing-he(盧星河)，et al.鋰離子電池安全性的研究［J］.Battery Bimonthly(電池)，2006，36(1):74－76.

［2］HU Yang(胡楊)，LI Yan(李艷)，ZHONG Sheng-wen(鐘盛文)，et al.18650 型鋰離子電池的安全性能研究［J］.Battery Bimonthly(電池)，2006，6(3):192－194.

［3］GB/T 18287-2000，蜂窩電話用鋰離子電池總規(guī)范［S］.

［4］GB/T 18287-20XX 報(bào)批稿，移動(dòng)電話用鋰離子電池及蓄電池組通用規(guī)范［S］.

［5］UL1642-2012，Lithium Batteries［S］.

［6］UL 2054-2011，Household and Commercial Batteries［S］.

［7］IEC62133-2002，Secondary Cells and Batteries Containing Alkaline or Other Non-Acid Electrolytes -Safety Requirements for Portable Sealed Secondary Cells，and for Batteries Made from Them，for Use in Portable Applications［S］.

［8］UN38.3 ST/SG/AC.10/11/Rev.5/Amend.1 38.3，Recommendations on Transportation of Dangerous Goods Manual of Tests and Criteria［S］.