本安設(shè)備用鋰電池失效模式及典型試驗(yàn)分析

朱 林,王新華,李世光,蔣漳河

(1.廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測(cè)研究院,廣東 廣州 510760;2.國家防爆設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(廣東)，廣東 廣州 510760)

0 引言

隨著工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化程度的不斷提高以及國家對(duì)安全生產(chǎn)的重視，由于石油化工等領(lǐng)域存在一定量的易燃易爆性氣體，在使用電氣設(shè)備時(shí)，其防爆性能尤其重要。近年來，鋰電池技術(shù)飛速發(fā)展，為防爆產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了更多可能性。該技術(shù)在本質(zhì)安全型電氣設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用[1]。鋰電池作為本質(zhì)安全設(shè)備中與本質(zhì)安全性能有關(guān)的元件，在GB 3836.4-2010標(biāo)準(zhǔn)中，占用較多篇幅予以規(guī)定。其中一項(xiàng)指標(biāo)不合格即會(huì)直接影響整個(gè)設(shè)備的本安性能評(píng)定。作為防爆設(shè)備檢測(cè)機(jī)構(gòu)，合理、全面地對(duì)電池和電池組進(jìn)行本安性能檢測(cè)至關(guān)重要[2]。

本文從標(biāo)準(zhǔn)入手，首先對(duì)鋰電池的失效模式及故障類型進(jìn)行歸納和總結(jié),然后通過大量試驗(yàn)，給出鋰電池?zé)o法通過標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)的情況和解決方法，為鋰電池在防爆設(shè)備內(nèi)的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 防爆設(shè)備用鋰電池分類及優(yōu)缺點(diǎn)

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(shè)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(huán)性能良好、輸出電壓穩(wěn)定、能大電流放電、電化學(xué)性能穩(wěn)定、使用安全、工作溫度范圍寬、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于太陽能燈具、草坪燈具、后備能源、電動(dòng)工具、玩具模型。一個(gè)典型的圓柱形鋰電池結(jié)構(gòu)包括：正極蓋、安全閥、正溫度系數(shù)(positive temperature coefficient，PTC)熱敏電阻保護(hù)元件、電流切斷機(jī)構(gòu)、墊圈、正極、負(fù)極、隔離膜、殼體。

軟包鋰電池是為液態(tài)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(fù)合膜)。這也是軟包鋰電池中技術(shù)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(gòu)成的外層保護(hù)層)、阻透層(中間層鋁箔)和內(nèi)層(多功能高阻隔層)。軟包電池有安全性能好、質(zhì)量輕、容量大、內(nèi)阻小、設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)。

2 鋰電池的故障模式機(jī)理與影響分析

2.1 鋰電池結(jié)構(gòu)

鋰電池的結(jié)構(gòu)主要分為以下五個(gè)部分[3-4]。

①正極材料：電極電勢(shì)較高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、具有嵌鋰能力的層狀或尖晶石結(jié)構(gòu)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(fù)極材料：電位接近鋰電位、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、并可大量儲(chǔ)鋰的層狀石墨、金屬單質(zhì)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(zhì)鋰鹽的有機(jī)溶劑，提供鋰離子，電解質(zhì)鋰鹽有LiPF6、LiClO4、LiBF4等，有機(jī)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(fù)極之間，以防止正負(fù)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(fù)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(jī)理與影響分析

故障模式機(jī)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(chǔ)上，故障模式機(jī)理與影響分析更加詳細(xì)地定義和指出了導(dǎo)致故障產(chǎn)生的機(jī)理。因此，鋰離子電池的故障模式機(jī)理與影響分析的發(fā)展基于多年來對(duì)電池可靠性的試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)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(zhì)安全設(shè)備用電池要求

3.1 鋰電池的物理防護(hù)要求

鋰電池應(yīng)具有電解液不溢出的結(jié)構(gòu)型式，或者應(yīng)被密封起來，以防電解液泄漏，損壞與本質(zhì)安全性能有關(guān)的元件。

因此，對(duì)電池結(jié)構(gòu)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(xiàng)和②項(xiàng)相同的密封方式。

④澆封式。

在爆炸性環(huán)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(gòu)成一個(gè)可整體替換的組件。在爆炸性環(huán)境，鋰電池連接方式布局應(yīng)保證在安裝和更換時(shí)不降低設(shè)備的本安性能，并且整體設(shè)備在進(jìn)行跌落試驗(yàn)后，電池不會(huì)脫落[7]。

3.2 鋰電池的電氣防護(hù)要求

鋰電池在故障及正常運(yùn)行時(shí)不能引起爆炸。帶外部充電觸點(diǎn)的鋰電池，當(dāng)任何一對(duì)觸點(diǎn)可能偶然短路時(shí)，對(duì)于“ia”保護(hù)等級(jí)應(yīng)采用三只二極管防止短路，對(duì)于“ib”保護(hù)等級(jí)應(yīng)采用兩只二極管防止短路，對(duì)于“ic”保護(hù)等級(jí)應(yīng)采用一只二極管防止短路。應(yīng)采用規(guī)定型號(hào)的充電器或額定值合適的熔斷器、電阻，保護(hù)該二極管不被損壞[7-8]。

4 本質(zhì)安全設(shè)備用鋰電池試驗(yàn)

GB 3836.4-2010對(duì)電池的型式試驗(yàn)主要包括電解液泄漏試驗(yàn)、火花點(diǎn)燃和最高表面溫度測(cè)試。由于本質(zhì)安全設(shè)備用鋰電池開路大多為4.2 V，故不需要進(jìn)行火花點(diǎn)燃試驗(yàn)。但在每次試驗(yàn)前，電池必須通過兩次完全充放電。本文通過對(duì)鋰電池進(jìn)行測(cè)試，分析了影響鋰電池防爆測(cè)試的關(guān)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(xì)的說明書，介紹電池的電參數(shù)及出廠試驗(yàn)等內(nèi)容。GB 3836.4-2010標(biāo)準(zhǔn)要求，在進(jìn)行電池試驗(yàn)之前必須對(duì)電池進(jìn)行兩次充放電，并在第二次放電時(shí)檢測(cè)電池的容量是否與說明書一致。如果試驗(yàn)數(shù)據(jù)不滿足，會(huì)影響下一步電池內(nèi)阻測(cè)試、電解液泄漏測(cè)試及最高表面溫度測(cè)試。鋰電池LG18650B4充放電參數(shù)如表2所示。

表2 LG18650B4充放電參數(shù)

4.2 電解液泄漏及最高表面溫度試驗(yàn)

在進(jìn)行鋰電池電解液泄漏試驗(yàn)及最高表面溫度測(cè)定時(shí)，均需要對(duì)電池進(jìn)行短路測(cè)試。因此，在正常試驗(yàn)時(shí)，這兩項(xiàng)試驗(yàn)可同時(shí)進(jìn)行。但是進(jìn)行這兩項(xiàng)試驗(yàn)時(shí)，關(guān)鍵是判斷鋰電池是否裝有PTC保護(hù)元件。按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，針對(duì)鋰電池試驗(yàn)，無論是否裝有PTC，均需要進(jìn)行試驗(yàn)。以下分析該要求的目的。最高表面溫度測(cè)試曲線如圖1所示。

圖1 最高表面溫度測(cè)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(dāng)溫度升高時(shí)，其本身電阻也相應(yīng)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(dǎo)致溫度不能在短時(shí)間內(nèi)急劇上升。但是未裝PTC的鋰電池在短路過程中會(huì)出現(xiàn)著火甚至爆炸等現(xiàn)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(jìn)行漏液檢查。將電池按照正常使用的最嚴(yán)酷狀態(tài)放置12 h，無論是否裝有PTC鋰電池，均需要進(jìn)行漏液檢查[9]。通常認(rèn)為，未裝PTC的鋰電池會(huì)更加難以通過試驗(yàn)。但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)結(jié)果來看，裝有PTC鋰電池同樣會(huì)出現(xiàn)電解液溢出現(xiàn)象。此時(shí)，需要對(duì)電池進(jìn)行更換或要求制造商更改電池結(jié)構(gòu)或參數(shù)配置。

5 結(jié)束語

鋰電池供電本質(zhì)安全設(shè)備在爆炸性危險(xiǎn)場(chǎng)所應(yīng)用得越來越多，其安全性非常重要。本文從標(biāo)準(zhǔn)入手，通過大量的試驗(yàn)，對(duì)鋰電池的失效模式及故障類型進(jìn)行歸納和總結(jié)，并給出鋰電池?zé)o法通過標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)的情況和解決辦法，力求達(dá)到合理性和全面性，從而為鋰電池在防爆設(shè)備內(nèi)的應(yīng)用提供理論依據(jù)。