本安設備用鋰電池失效模式及典型試驗分析

朱 林,王新華,李世光,蔣漳河

(1.廣州特種機電設備檢測研究院,廣東 廣州 510760;2.國家防爆設備質量監督檢驗中心(廣東)，廣東 廣州 510760)

0 引言

隨著工業現場自動化程度的不斷提高以及國家對安全生產的重視，由于石油化工等領域存在一定量的易燃易爆性氣體，在使用電氣設備時，其防爆性能尤其重要。近年來，鋰電池技術飛速發展，為防爆產品的設計提供了更多可能性。該技術在本質安全型電氣設備中得到了廣泛應用[1]。鋰電池作為本質安全設備中與本質安全性能有關的元件，在GB 3836.4-2010標準中，占用較多篇幅予以規定。其中一項指標不合格即會直接影響整個設備的本安性能評定。作為防爆設備檢測機構，合理、全面地對電池和電池組進行本安性能檢測至關重要[2]。

本文從標準入手，首先對鋰電池的失效模式及故障類型進行歸納和總結,然后通過大量試驗，給出鋰電池無法通過標準檢驗的情況和解決方法，為鋰電池在防爆設備內的應用提供理論基礎。

1 防爆設備用鋰電池分類及優缺點

目前，主流的鋰電池封裝形式主要有圓柱形、方形和軟包三種，在防爆設備中使用較多的為圓柱形和軟包兩類。

圓柱形鋰電池分為磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、錳酸鋰、鈷錳混合、三元材料等不同體系，外殼分為鋼殼和聚合物兩種。圓柱形主要以鋼殼圓柱磷酸鐵鋰電池為主。該電池以其容量高、輸出電壓高、充放電循環性能良好、輸出電壓穩定、能大電流放電、電化學性能穩定、使用安全、工作溫度范圍寬、對環境友好等優點，被廣泛應用于太陽能燈具、草坪燈具、后備能源、電動工具、玩具模型。一個典型的圓柱形鋰電池結構包括：正極蓋、安全閥、正溫度系數(positive temperature coefficient，PTC)熱敏電阻保護元件、電流切斷機構、墊圈、正極、負極、隔離膜、殼體。

軟包鋰電池是為液態鋰離子電池套上一層聚合物外殼。其與其他鋰電池最大的不同之處在于軟包裝材料(鋁塑復合膜)。這也是軟包鋰電池中技術難度較高的材料。軟包裝材料通常分為三層，即外阻層(一般為尼龍構成的外層保護層)、阻透層(中間層鋁箔)和內層(多功能高阻隔層)。軟包電池有安全性能好、質量輕、容量大、內阻小、設計靈活等優點。

2 鋰電池的故障模式機理與影響分析

2.1 鋰電池結構

鋰電池的結構主要分為以下五個部分[3-4]。

①正極材料：電極電勢較高、結構穩定、具有嵌鋰能力的層狀或尖晶石結構的過渡金屬氧化物或聚陰離子型化合物，如鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、三元材料等。

②負極材料：電位接近鋰電位、結構穩定、并可大量儲鋰的層狀石墨、金屬單質及金屬氧化物，如石墨、中間相碳微球、鈦酸鋰等。

③電解液：溶有電解質鋰鹽的有機溶劑，提供鋰離子，電解質鋰鹽有LiPF6、LiClO4、LiBF4等，有機溶劑主要由碳酸二乙酯、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、二甲酯等的其中一種或幾種混合組成。

④隔膜：置于正負極之間，以防止正負極直接接觸，且允許Li+離子通過的聚烯微多孔膜。如聚乙烯、聚丙烯或它們的復合膜。

⑤外殼：用于電池封裝，包括鋁殼、蓋板、極耳、絕緣片等。

2.2 鋰離子電池的故障機理與影響分析

故障模式機理與影響分析衍生于失效模式與影響分析。在失效模式與影響分析分析的基礎上，故障模式機理與影響分析更加詳細地定義和指出了導致故障產生的機理。因此，鋰離子電池的故障模式機理與影響分析的發展基于多年來對電池可靠性的試驗、結構拆解及失效分析研究[5-6]。

表1列出了影響鋰電池防爆性能的故障模式及其影響。

表1 故障模式及其影響

3 本質安全設備用電池要求

3.1 鋰電池的物理防護要求

鋰電池應具有電解液不溢出的結構型式，或者應被密封起來，以防電解液泄漏，損壞與本質安全性能有關的元件。

因此，對電池結構有如下要求。

①密封式(氣密)。

②閥控式密封。

③帶有壓力釋放裝置，其采用與①項和②項相同的密封方式。

④澆封式。

在爆炸性環境使用和更換的鋰電池，必須使用限流器件保證自身安全，且與鋰電池構成一個可整體替換的組件。在爆炸性環境，鋰電池連接方式布局應保證在安裝和更換時不降低設備的本安性能，并且整體設備在進行跌落試驗后，電池不會脫落[7]。

3.2 鋰電池的電氣防護要求

鋰電池在故障及正常運行時不能引起爆炸。帶外部充電觸點的鋰電池，當任何一對觸點可能偶然短路時，對于“ia”保護等級應采用三只二極管防止短路，對于“ib”保護等級應采用兩只二極管防止短路，對于“ic”保護等級應采用一只二極管防止短路。應采用規定型號的充電器或額定值合適的熔斷器、電阻，保護該二極管不被損壞[7-8]。

4 本質安全設備用鋰電池試驗

GB 3836.4-2010對電池的型式試驗主要包括電解液泄漏試驗、火花點燃和最高表面溫度測試。由于本質安全設備用鋰電池開路大多為4.2 V，故不需要進行火花點燃試驗。但在每次試驗前，電池必須通過兩次完全充放電。本文通過對鋰電池進行測試，分析了影響鋰電池防爆測試的關鍵問題及解決辦法。

4.1 鋰電池充放電

制造廠家選用的鋰電池必須有詳細的說明書，介紹電池的電參數及出廠試驗等內容。GB 3836.4-2010標準要求，在進行電池試驗之前必須對電池進行兩次充放電，并在第二次放電時檢測電池的容量是否與說明書一致。如果試驗數據不滿足，會影響下一步電池內阻測試、電解液泄漏測試及最高表面溫度測試。鋰電池LG18650B4充放電參數如表2所示。

表2 LG18650B4充放電參數

4.2 電解液泄漏及最高表面溫度試驗

在進行鋰電池電解液泄漏試驗及最高表面溫度測定時，均需要對電池進行短路測試。因此，在正常試驗時，這兩項試驗可同時進行。但是進行這兩項試驗時，關鍵是判斷鋰電池是否裝有PTC保護元件。按照標準規定，針對鋰電池試驗，無論是否裝有PTC，均需要進行試驗。以下分析該要求的目的。最高表面溫度測試曲線如圖1所示。

圖1 最高表面溫度測試曲線

從圖1可以看出，裝有PTC鋰電池與未裝PTC鋰電池的最高表面溫度不同，未裝PTC鋰電池的最高表面溫度較高。當溫度升高時，其本身電阻也相應增大，限制了電池的放電電流，使鋰電池不能瞬間將能量全部釋放，導致溫度不能在短時間內急劇上升。但是未裝PTC的鋰電池在短路過程中會出現著火甚至爆炸等現象。

在鋰電池短路過程中，記錄下鋰電池最高表面溫度，短路后，需要進行漏液檢查。將電池按照正常使用的最嚴酷狀態放置12 h，無論是否裝有PTC鋰電池，均需要進行漏液檢查[9]。通常認為，未裝PTC的鋰電池會更加難以通過試驗。但根據現場的試驗結果來看，裝有PTC鋰電池同樣會出現電解液溢出現象。此時，需要對電池進行更換或要求制造商更改電池結構或參數配置。

5 結束語

鋰電池供電本質安全設備在爆炸性危險場所應用得越來越多，其安全性非常重要。本文從標準入手，通過大量的試驗，對鋰電池的失效模式及故障類型進行歸納和總結，并給出鋰電池無法通過標準檢驗的情況和解決辦法，力求達到合理性和全面性，從而為鋰電池在防爆設備內的應用提供理論依據。