鋰電池自然貯存可靠性研究

李坤蘭，王朋，李勁

（1.工業和信息化部電子第五研究所，廣州 511370；2. 752 廠，武漢 430000）

前言

隨著設備小型化的發展，對電池提出了更高的要求。而鋰電池以自放電率極低、放電電壓十分平緩，使得鋰電池進入了大規模使用階段。

鋰電池廣泛應用于手機、筆記本電腦、電動工具、電動車、路燈備用電源、航燈、家用小電器上，同時，在軍事裝備及工業領域也有廣泛的應用，包括軍用電子設備、導彈、水中兵器、無人機、聲納及各類雷、彈的電源等。尤其適合于對電壓平臺和電壓精度要求高、長儲后使用及高寒地區（-40 ℃以下）等需要高脈沖電流的設備中使用[1]。

電池作為設備能源的來源，對于設備至關重要。因此研究電池的可靠性也是非常重要的。現階段處于和平時期，設備將在一段時期內處于貯存狀態，因此電池的貯存可靠性就顯得更為重要。高貯存可靠性的電池，是設備工作及安全的保障。因此，很有必要研究電池的貯存可靠性。

1 鋰電池的自然貯存試驗

8 個型號的鋰電池共320 只樣品在廣州開展了為期7年的自然環境下無替換的長期貯存試驗。跟蹤監測的性能參數有開路電壓、負荷電壓、滯后時間等。試驗中，每次檢測樣品時，對所有樣品的開路電壓都需進行監測。取出8 只樣品對其進行負荷電壓、滯后時間等的監測，測試完成后，這8 只樣品不參加后續試驗，依次類推，直至第4 年。剩余的樣品在第7 年進行性能監測。參加貯存試驗的鋰電池試驗樣品詳情見表1。

表1 鋰電池長期貯存試驗樣品一覽表

2 貯存失效模式研究

貯存失效模式是指產品貯存失效的表現形式。研究貯存失效模式目的在于通過分析當前和以往過程的失效模式數據，以防止這些失效模式將來再發生。從而針對設計上可靠性的弱點，提出對策；改進產品的質量、可靠性與安全性等。

2.1 從貯存的各個測試時間點上分析

從貯存的各個測試時間點上來看，貯存84 個月期間，各個測試時間點出現了開壓偏低、無電壓這兩種失效模型，見表2。

表2 貯存84 個月期間各測試點的失效情況

由表2 可知，鋰電池的主要貯存失效模式有開壓偏低、無電壓兩種失效模式。其中開壓偏低的失效模式比無電壓的失效模式更為普遍。

2.2 從貯存的型號上分析

分析研究了8 個型號鋰電池在84 個月的貯存試驗期間的不同失效模式及其失效樣品數，結果見表3。

表3 鋰電池不同貯存失效模式詳情表（單位：只）

由表3 可知，鋰電池的主要貯存失效模式有開壓偏低、無電壓兩種失效模式。其中開壓偏低的失效模式比無電壓的失效模式更為普遍。

綜上所述，鋰電池的主要貯存失效模式有開壓偏低、無電壓兩種失效模式。

3 累積失效樣品數變化趨勢研究

對貯存84 個月的貯存測試數據進行了整理、分析、研究，并將失效樣品數隨貯存時間的變化趨勢作圖如圖1 。

圖1 失效樣品數隨貯存時間的變化趨勢

由圖1 可知，除ER48-Z 貯存84 個月后未出現失效樣品，其余7 個型號均有失效樣品，其中，ER13-Q、ER12-R、ER28-J、WR34-P、ER14-Y 等5 個型號的鋰電池在48 個月的貯存期間，未出現失效樣品，且均在貯存48 個月后，失效樣品數劇增。由此可見，這8 個型號的鋰電池中，貯存可靠性最好的是ER48-Z。ER13-Q、ER12-R、ER28-J、WR34-P、ER14-Y 等5 個型號的鋰電池貯存壽命是48 個月；型號為ER48-Z 的鋰電池的貯存壽命超過84 個月，能夠滿足設備長壽命的需求。

4 貯存壽命表征參數研究

影響產品貯存壽命的性能參數稱為貯存壽命表征參數。貯存壽命是產品滿足規定要求的時間長度。產品的參數有質量特性參數、動態特性參數、可靠性參數等，但主要是產品的性能參數，這類參數通常較多。貯存壽命表征參數是貯存過程中會發生變化的性能參數。性能參數的變化蘊含了產品的壽命特征。因此研究產品的貯存壽命表征參數意義重大[2]。

通過分析研究貯存試驗期間參數超差的失效樣品的測試數據以及性能參數的退化率，可得出各種電容器的貯存敏感參數，見表4。

表4 開路電壓和負荷電壓的退化率研究

由表4 可知，這8 個型號的鋰電池均有負荷電壓的退化率比開路電壓的要大。退化得最快的是ER17-W，達到了0.5143；退化得最慢的ER12-R，只有0.0757。因此，鋰電池的壽命特征參數是負荷電壓。從退化率的角度來說，性能最好的是型號為ER12-R 的鋰電池，最差的是型號為ER17-W 的鋰電池。在要求放電平穩的場合，盡量選用型號為ER12-R 的鋰電池。

5 貯存可靠性研究

貯存可靠性是產品在規定的貯存條件下和規定的貯存時間內，保持規定功能的能力。其概率度量為貯存可靠度。

可靠性指標有可靠度（R）、失效率（λ）等，其計算公式如下。

1）貯存可靠度計算公式為[3]：

式中：

n—每型號元器件儲存試驗的參試數；

r—失效的元器件數。

2）失效率的計算公式為[4]：

式中：

f—每一型號元器件貯存試驗期間的累積失效樣品數；

t—總試驗時間。

若在貯存試驗中未出現失效樣品時，其失效率的計算公式為：

式中：

0.916 —置信度為60 %、自由度為2 時的x2值；

t—總試驗時間。

8 個型號鋰電池試驗樣品的貯存可靠度、失效率的計算結果見表5。

表5 鋰電池貯存可靠性一纜表（時間單位：月）

由表5 可知，貯存48 個月時，有6 個型號的鋰電池的可靠度為1，能夠滿足工程的需要。貯存84 個月后，型號為ER48-Z 的鋰電池的可靠度仍為1，另外還有ER12-R、ER13-Q、WR34-P 等3 種鋰電池的可靠度大于0.9，說明這些鋰電池的可靠度都很高。

6 結論

1）鋰電池的主要貯存失效模式有開壓偏低、無電壓兩種失效模式。其中開壓偏低的失效模式比無電壓的失效模式更為普遍。

2）ER13-Q、ER12-R、ER28-J、WR34-P、ER14-Y等5 個型號的鋰電池貯存壽命是48 個月。

3）這8 個型號的鋰電池中，貯存可靠性最好的是ER48-Z。

4）型號為ER48-Z 的鋰電池的貯存壽命超過84 個月，能夠滿足設備長壽命的需求。

5）鋰電池的壽命特征參數是負荷電壓。

6）從退化率的角度來說，性能最好的是型號為ER12-R 的鋰電池，最差的是型號為ER17-W 的鋰電池。在要求放電平穩的場合，盡量選用型號為ER12-R 的鋰電池。

7）貯存84 個月后，型號為ER48-Z 的鋰電池的可靠度仍為1，另外還有ER12-R、ER13-Q、WR34-P 等3種鋰電池的可靠度大于0.9，說明這些鋰電池的可靠度都很高。