固定式電子設備用鋰離子電池首部國家標準解析

呂媛媛，田宏錦，李錦花

(1.中華人民共和國吳江海關國家動力及儲能電池檢測重點實驗室，江蘇 蘇州 215200；2.中華人民共和國寧波海關技術中心，浙江 寧波 315048)

鋰離子電池在發展進程中出現了一些安全問題，導致起火、爆炸的危險性標簽無法摘除。為此，各國逐步推出和升級鋰離子電池標準，加嚴產品性能管控，提高準入門檻[1-3]。

我國對鋰離子電池的安全管控在國際上起到舉足輕重的作用。為進一步完善國家現有鋰離子電池標準體系，促進與國際標準的接軌，規范鋰離子電池市場，2021年4月30日，國家市場監督管理總局和國家標準化管理委員會聯合批準發布了強制性國家標準GB 40165-2021《固定式電子設備用鋰離子電池和電池組 安全技術規范》[4]。該標準將于2022年5月1日開始實施。

本文作者簡要概述現有鋰離子電池強制性國家標準體系，對GB 40165-2021的適用范圍、測試項目、判定依據以及與現行標準GB 31241-2014《便攜式電子產品用鋰離子電池和電池組 安全要求》[5]的差異等進行簡要分析。

1 國家強制電池標準

目前，GB 40165-2021、GB 31241-2014和GB 38031-2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》[6]等3項鋰離子電池國家強制標準共同構成了鋰離子電池強制國家標準體系。GB 40165-2021和GB 31241-2014針對各類電子設備用鋰離子電池；GB 38031-2020針對車用電池，既包含鋰離子電池，也包含鎳氫等其他車用電池。

2 標準解讀

2.1 適用范圍

GB 40165-2021規定了固定式電子設備用鋰離子電池和電池組的適用范圍、術語定義、試驗條件、安全要求和測試方法。明確指出：該標準適用于固定式電子設備用鋰離子電池和電池組，指出固定式電子設備包括固定式信息技術(IT)設備、固定式音視頻(AV)設備及類似設備；固定式通信技術(CT)設備、固定式測量控制和實驗室電子設備及類似設備；不適用于不間斷電源(UPS)、應急電源(EPS)等使用的鋰離子電池和電池組。

GB 40165-2021給出了固定式電子設備的定義，即規定不可由使用人員經常攜帶的電子設備，包括不可攜帶使用的電子設備，超過18 kg的移動電子設備，以及在本標準范圍內、但不屬于GB 31241-2014規定的便攜式電子產品的電子設備。即將電子設備分為兩類：便攜式可攜帶的和固定式的。若該方式無法區分，就以電子設備質量18 kg作為區分條件。在國際標準UN38.3：2019《聯合國危險物品運輸試驗和標準手冊》第3部分38.3款[7]中，大型鋰離子電池組的質量界限為18 kg，大型鋰離子電池單體的質量界限為500 g。從該角度分析，GB 40165-2021與國際標準保持一致。

2.2 標準分析

表1給出了GB 40165-2021和GB 31241-2014對電池和電池組的測試方法和技術要求。

表1 GB 40165-2021與GB 31241-2014的鋰離子電池和電池組測試方法、技術要求

從表1可知，GB 40165-2021的測試項目和技術要求沿襲了GB 31241-2014的測試傳統，參考了國際標準IEC 62619：2017《含堿性或其他非酸性電解質的蓄電池和蓄電池組 工業應用蓄電池和蓄電池組的安全性要求》[8]和UN38.3中部分項目的測試要求，安全性主要從預期使用、合理可預見誤用或濫用以及故障條件等方面考慮。

2.2.1 測試環境條件

GB 40165-2021要求測試環境溫度(20±5)℃、相對濕度不大于75%以及大氣壓力86～106 kPa，與GB 31241-2014的測試環境要求相同。

2.2.2 電池測試

GB 40165-2021電池測試分為電安全和環境安全兩類，如表1所示，要求在進行測試前首先進行2次充放電預循環，同時容量達到標稱容量方可。電安全測試分高溫外部短路、過充電和強制放電，其中與GB 31241-2014不同的是，高溫外部短路阻抗要求不高于30 mΩ，阻抗降低，意味著同一只電池需承受更高的短路電流；GB 40165-2021過充電要求對滿電電池繼續充電，考察承受高電壓的能力，對電池正極結構的穩定性要求較高。此外，滿電電池繼續充電，負極表面Li+過多，會堆積成結晶，導致電池內部短路等。如1 mol LiCoO2正極材料中，最多只有0.55 mol Li+能夠可逆地嵌脫，而少量過充電(電壓達到4.4 V)就會威脅結構的熱穩定性和整體循環性能，主要原因是結構相變、晶格失氧和電解液氧化分解。在低電壓下，LiCoO2穩定的層狀結構為Li+提供了良好的離子傳輸通道。要滿足GB 40165-2021過充電測試的要求，正極材料應有優良的Li+可逆嵌脫能力，Li+傳輸通道的穩定性受離子嵌脫的影響較小。GB 31241-2014過充電要求以3倍的推薦充電電流充電至4.6 V(LiFePO4正極為5.0 V)，考察承受大電流的能力。充電電流較大時，Li+來不及嵌入晶格，聚集于材料表面，富余的Li+獲得電子后，會在電極材料表面產生鋰原子結晶，導致各類危險。要滿足GB 31241-2014過充電測試的要求，負極材料應具備優良的Li+可逆嵌脫能力，將富余的Li+降低至最少，保證電極材料的結構穩定和電安全。強制放電要求差異不大。

GB 40165-2021環境安全測試中的低氣壓、溫度循環、振動、加速度沖擊、重物撞擊/擠壓等6項測試與GB 31241-2014一致，與國際標準UN38.3等也相同。GB 40165-2021的跌落測試與IEC 62619：2017一致，跌落方式與樣品的質量有關，分為整體跌落、角跌落和邊跌落，對產品的要求更為嚴苛。GB 40165-2021熱濫用測試采用了國內外標準中常規的(130±2)℃，即鋰離子電池內部隔膜的閉合溫度，不同的是加熱時間延長至1 h。

從鋰離子電池的測試要求可以看出，固定式鋰離子電池安全要求比便攜式的更嚴苛，耐高電壓的能力更強，對正負極材料的結構穩定性要求更高。

2.2.3 電池組測試

GB 40165-2021電池組測試分為環境安全和系統功能性安全兩類，如表1所示，要求在測試前，先進行2次充放電預循環。標準還指出，對于大型電池組，可選用有監控電路的電池模板和機械固定框架進行測試。

電池組環境安全測試為溫度循環、振動、加速度沖擊和跌落，其中小型電池組的測試要求和判定條件與GB 31241-2014一致，大型鋰離子電池組的測試要求和判定條件與UN38.3一致；跌落測試項目與IEC 62619：2017一致，跌落方式與樣品的質量有關，分為整體跌落、角跌落和邊跌落。

GB 40165-2021標準要求，固定式電子設備用鋰離子電池組系統應設計電池管理單元(BMU)或電池管理系統(BMS)，確保電池和電池組在指定范圍內工作，以識別電池和電池組的電壓、溫度和電流的異常狀態，并進行控制。該標準第九章過壓充電、過流充電、欠壓放電、過載、短路、反向充電、過熱以及靜電放電等測試項目與GB 31241-2014相應的測試項目方法一致，但參數設定不同。這些功能性安全測試，除了檢驗自身承受大電流、過電壓、低電壓、反向充電、極限環境溫度和靜電干擾的能力外，還檢驗BMU或BMS識別并進行執行相關命令的能力，要求管理系統在鋰離子電池到達所承受的極限值之前，執行保護命令，切斷回路。

2.3 其他測試要求

從上述測試要求可知，GB 40165-2021對于鋰離子電池和電池組，無論是從測試要求還是測試項目的嚴苛程度，均高于GB 31241-2014?？紤]到有些固定式設備用鋰離子電池組體型較大，內部串并聯電池芯龐大，外部管理系統復雜，加之所使用設備的特殊性，GB 40165-2021標準約定，某一類電池或電池組因為產品的設計、結構、功能上的制約而明確對該產品的試驗不適用時，可不進行該試驗。如因受產品設計、構造或功能上的制約而無法對電池或電池組進行試驗，但又必須實施時，可連同使用該電池組的電子設備及附屬充電器或零部件，與電池或電池組一起進行試驗。如果電池組系統可拆分為小的單元，單元可代替電池組系統進行試驗，制造商可對單元添加最終電池組系統具有的功能。

3 結論

隨著各類正極材料在高電壓、高能量密度和高功率密度方面的發展，電子設備所用鋰離子電池的種類越來越多，安全問題日益突出，安全檢測難度增加。為此，各國逐步提升鋰離子電池行業準入門檻，嚴苛社會監管和國家管控。

GB 40165-2021標準的頒布，填補了我國在固定式電子設備用鋰離子電池安全標準領域的空白。從長遠看，將有助于提升鋰離子電池行業的準入門檻，打擊不合規產品對正規鋰離子電池產品市場的沖擊。鋰離子電池是一個能量體，標準檢測合格與否只是外部表觀現象，要想從根源解決電池安全問題，關鍵還是要從電池內部結構著手，優化電池設計，增加安全防控、傳感器等，同時將安全測試標準和新技術相融合，以便在事故萌芽初期進行控制。