鋰電池安全性能測試方法探討

謝香倫

摘 要：鋰電池技術成熟，質量安全有保障，推動了鋰電產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展。為安全使用和處理鋰電池，國家標準民用鋰電池安全通用要求的要求，對鋰電池測試，確保安全使用。如何通過嚴格可靠的測試，控制并保證鋰電池的安全運行并提升其工作壽命，不僅是從事鋰電池開發(fā)和生產(chǎn)的工程師面對的挑戰(zhàn)，也同樣是對產(chǎn)品設計工程師在選用電池和設計產(chǎn)品用電特性時，需要充分考慮的問題。本文分析了鋰電池性能測試方法，并探討了提高鋰離子電池安全性能的措施。

關鍵詞：鋰電池；安全性能；測試方法；措施

鋰電池作為新能源汽車儲能環(huán)節(jié)，其性能與充放電規(guī)律直接決定新能源汽車的續(xù)航里程和動力性。除了應用在新能源汽車領域，還廣泛應用在手持脫纜工具中，鋰電池的性能及壽命影響工具的性能及壽命。鋰電池屬于化學儲能，與鉛酸電池、鎳氫電池、鎳鉻電池等相比，在電池壽命、充電技術、安全性、比能量、比功率方面有明顯的優(yōu)勢。因此，對鋰電池性能的研究逐漸成為熱點。

一、鋰電池性能

充放電倍率、充放電次數(shù)、內阻是單體鋰電池的主要性能指標。在鋰電池組中，電池的均衡性指標決定電池組的性能。

充放電倍率又稱C率，是指鋰電池充放電電流大小。放電時C越大，瞬時放電電流越大，驅動能力越強，輸出電能越少。充電時C越大，充電越快，充入電池的電能越少。

循環(huán)次數(shù)，是充電電池的重要指標，決定電池的壽命，單體鋰電池的充電次數(shù)理論為15000次左右，理論壽命為是15年。鋰電池組受個別單體電池性能及壽命的影響，存在水桶效應，循環(huán)次數(shù)理論值為10000次，壽命10年。充放電次數(shù)決定基于鋰電池應用產(chǎn)品的壽命，根據(jù)標準的充放電規(guī)律，如1C放電，0.3C充電，每次電池從5%充放到95%，照此循環(huán)，充放電500次后，電池的容量為最初容量的80%。充放電次數(shù)與電池的負載變化密切相關，在實際產(chǎn)品應用中，則與使用情況息息相關。

內阻，電池內部的電阻。是指在電池工作時，電流流過電池內部所需要的電阻。鋰電池在放電時，所有能力不能完全轉化為電能，電化學反映存在能力損失，既為其內阻。內阻與負載直接相關，受溫度影響大，隨著電池的使用，充放電次數(shù)的增加，內阻逐漸增大。內阻與沖放電倍率有關，內阻越小，C率越大。特斯拉汽車所用的松下18650單體電池內阻約為50mΩ。

二、鋰電池性能測試方法

1、過充測試：將鋰電池用1C充滿電，在按照3C過充進行過充試驗，當電池過充時電壓上升到一定電壓時穩(wěn)定一段時間，接近一定時間時電池電壓快速上升，當上升至一定限度時，電池高帽拉斷，電壓跌至0V，電池沒有起火、爆炸即可。

2、短路測試：將電池充滿電后用電阻不大于50mΩ的導線將電池正負極短路，測試電池的表面溫度變化，電池表面最高溫度為140℃，電池蓋帽拉開，電池不起火、不爆炸即可。

3、自放電測試。鋰電池的自放電測試為：一般采用24小時自放電來快速測試其荷電保持能力，將電池以0.2C放電至3.0V，恒流恒壓1C充電至4.2V，截止電流：10mA，擱置15分鐘后，以1C放電至3.0V測其放電容量C1，再將電池恒流恒壓1C充電至4.2V，截止電流100mA，擱置24小時后測1C容量C2，C2/C1100%應大于99%。

4、針刺測試：將充滿電的電池放在一個平面上，用直徑3mm的鋼針沿徑向將電池刺穿。測試電池不起火、不爆炸即可。

5、IEC標準循環(huán)壽命測試。IEC規(guī)定鋰電池標準循環(huán)壽命測試為：電池以0.2C3.0V/支后，1C恒流恒壓充電到4.2V，截止電流20MA，擱置1小時后，再以0.2C放電至3.0V（一個循環(huán)）反復循環(huán)500次后容量應在初容量的60%以上。

6、擠壓測試：將充滿電的電池放在一個平面上，由油壓缸施與13+1KN的擠壓力，由直徑為32mm的鋼棒平面擠壓電池，一旦擠壓壓力到達最大停止擠壓，電池不起火，不爆炸即可。

7、振動實驗測試。鋰電池振動實驗方法為：電池以0.2C放電至3.0V后1C充電恒流恒壓充電到4.2V，截止電流10mA，擱置24小時后按下述條件振動：振幅0.8mm使電池在10HZ-55HZ之間振動，每分鐘以1HZ的震動速率遞增或遞減.振動后電池電壓變化應在0.02V之間，內阻變化在5m以內。

8、高溫高濕測試。鋰電池高溫高濕測試為：（國家標準）將電池1C恒流恒壓充電到4.2V，截止電流10mA，然后放入（（40±2）℃），相對濕度為90%-95%的恒溫恒濕箱中擱置48h后，將電池取出在（（20±5）℃）的條件下擱置2h，觀測電池外觀應該無異?，F(xiàn)象，再以1C恒流放電到2.75V，然后在（（20±5）℃）的條件下，進行1C充電，1C放電循環(huán)直至放電容量不少于初始容量的85%，但循環(huán)次數(shù)不多于3次。

內壓測試。鋰電池內壓測試為：（UL標準）模擬電池在海拔高度為15240m的高空（低氣壓11.6kPa）下，檢驗電池是否漏液或發(fā)鼓.具體步驟：將電池1C充電恒流恒壓充電到4.2V，截止電流10mA，然后將其放在氣壓為11.6Kpa，溫度為（（20±3）℃）的低壓箱中儲存6小時，電池不會爆炸，起火，裂口，漏液。

9、重物撞擊測試：將電池充滿電后，放置在一個平面上，將直徑15.8mm的鋼柱垂直置于電池中心，將重量9.1kg的重物從610mm的高度自由落到電池上方的鋼柱上，電池不起火、不爆炸即可。

10、跌落測試。將電池組充滿電后從三個不同方向于1m高處跌落于硬質橡膠板上，每個方向做2次，電池組電性能應正常，外包裝無破。

三、提高鋰離子電池安全性能的措施

1、加強電芯整體安全設計。電芯是將電池各種物質組合起來的紐帶，是正極、負極、隔膜、極耳和包裝膜等結構的集成，電芯結構設計不但影響到各種材料性能的發(fā)揮，還對電池整體化學性能、安全性能產(chǎn)生重要的影響。在電芯設計上，應結合材料特性來制定合理的結構模式，在鋰電池結構上還可以考慮加人一些額外的保護裝置，如采用開關元件、安全閥等。

2、選用安全系數(shù)更高的原材料。選用安全系數(shù)更高的正負極活性材料、隔膜材料和電解液。正極材料的安全性主要基于材料的熱力學穩(wěn)定性、材料的化學穩(wěn)定性、材料的物理性能三個方面進行；隔膜材料應基于機械隔離性能、孔徑和空隙率、材料的化學穩(wěn)定性、自動關閉功能、較小的熱收縮率和變形率、材料厚度、較大的物理強度等方面進行綜合考慮；電解液應選擇化學穩(wěn)定性好、電化學穩(wěn)定性好、鋰離子導電率高、液態(tài)穩(wěn)定范圍寬的材料。

生產(chǎn)過程標準化和規(guī)范化。努力做好電芯生產(chǎn)過程中的標準化和規(guī)范化。在勻漿、涂敷、烘干、壓實、分切和卷繞等步驟中，關鍵控制點標準化，如涂敷量、碾壓厚度、電解液注液量等，，改進工藝手段，如低氣壓注液法、離心裝殼法等，，做好工藝控制，保證工藝質量，縮小產(chǎn)品間的差異，在對安全有影響的關鍵步驟設置特殊方法，如通過調整切刀角度改善極片毛刺、掃粉、對不同的材料采用不同的焊接方法等，。實施標準化質量監(jiān)控，消除缺陷部位，排除有缺陷產(chǎn)品，如極片變形、隔膜刺破、活性材料脫落和電解液泄漏等。

結語：總之，各種鋰離子電池由于具有優(yōu)良的性能，而得到了廣泛的應用，同時，其安全性也同樣受到了廣泛關注。因此，電池生產(chǎn)企業(yè)要按照國家標準民用鋰電池安全通用要求的要求，對鋰電池測試，確保安全使用。通過嚴格可靠的測試，控制并保證鋰電池的安全運行更好地提高鋰離子電池的安全性，并提升其工作壽命。

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