電子煙電池倍率放電特性及對氣溶膠釋放行為影響分析

劉義波，陳志鴻，劉熙，胡靜，李峰

廣東中煙工業(yè)有限責任公司技術中心，廣州市荔灣區(qū)東沙環(huán)翠南路88號 510385

電子煙于2003年被重新發(fā)明和定義，現(xiàn)已發(fā)展成為一種新的消費方式。它是利用電池供電、將煙草提取物通過低溫霧化技術霧化成霧狀的液滴供人抽吸的裝置，其經(jīng)典結構主要包括電池、霧化器和溶液腔[1-5]（圖1）。近年來爆出了很多化學安全、電池爆炸、電池漏液等安全事故，引起了公眾對其質量和功效的擔憂[6-9]。

圖1 典型的電子煙結構示意圖Fig. 1 Structure diagram of a typical electronic cigarette

電池是電子煙的核心部件之一，通常采用鋰離子電池或聚合物鋰離子電池為電子煙供電。在電池眾多的技術指標和性能要求中，電池倍率放電性能的優(yōu)劣對于電子煙的持續(xù)工作能力、安全性以及氣溶膠釋放的影響很大[10,11]，是電子煙產(chǎn)品設計重點關注的電池技術指標。電池放電倍率是額定容量C與電池放電時間h的比值，代表電池在規(guī)定時間內放出其額定容量時所輸出的電流值，是電池放電快慢的一種度量，在電池充放電過程中，一般用“nC”表示電流，其中n的單位為1/h，如額定容量為1 000 mAh的電池，以0.1 C充放電速率放電或充電時，其電流值大小為0.1/h×1 000 mAh=100 mA[12,13]。在相同的放電倍率條件下，電池放出的容量越多說明電池倍率放電性能越好。

至今少有文獻關注電子煙用電池的質量狀況[14]，沒有基于電池實際工作輸出對電子煙用電池性能進行系統(tǒng)評價，更少有電池性能對電子煙氣溶膠釋放行為影響的研究。因此，本文收集38種小功率電子煙產(chǎn)品對其電池進行倍率放電性能研究，以及其對氣溶膠釋放行為影響分析，以期為電子煙行業(yè)規(guī)范管理和產(chǎn)品設計開發(fā)提供一定的參考。

1 電子煙電池收集

本實驗通過購買（A）和定制（B）途徑共收集了38種小功率的電子煙產(chǎn)品，包括25種可充電電子煙和13種一次性電子煙（詳見表1）。

表1 收集的電子煙及對應電池信息列表Tab. 1 List of collected electronic cigarettes and their batteries information

2 測試方法

2.1 電子煙拆解方法

將電子煙樣品小心拆解，防止電子煙觸發(fā)工作和電池短路，記錄電池型號、生產(chǎn)批號或條形碼和電池額定容量（或額定能量）。

2.2 電池倍率放電性能測試方法

結合鋰離子電池強制安全要求國標GB/T 31241—2014[15]，電池充電常用的方法有兩種，一種是0.2 C電流充電，一種是1 C電流充電。實驗測試發(fā)現(xiàn)，0.2 C充電時間較長，部分電池單次充電時長達8 h左右，故本實驗電池充電電流為1 C。對收集的電子煙發(fā)熱絲進行直流電源模擬干燒測試，結果表明當電流達到1.2 A及以上時，觀察到發(fā)熱絲瞬間變紅，達到了發(fā)熱絲霧化所需電流的限值，故將電池放電電流確定為1.2 A。綜上，對于可充電電池，按0.2 C放電至3.0 V，擱置10 min再以1.0 C恒流充電至4.2 V，轉為恒壓充電，直至充電電流小于或等于0.02 C，充電終止，擱置10 min，然后1.2 A放電至3.0 V，按照上述方法進行最高400次循環(huán)測試。對于一次性電子煙用電池，擱置10 min后進行1.2 A恒流放電，至3.0 V放電終止。電池倍率放電性能測試采用深圳市新威爾電子有限公司高精度電池性能測試系統(tǒng)（型號CT-3008-20V60A-A）。測試中如發(fā)現(xiàn)電池異常發(fā)熱、爆炸、漏液、鼓包等異常情況即停止測試。

續(xù)表1

2.3 電子煙氣溶膠釋放測試方法

直線型吸煙機，采用CORESTA推薦的抽吸方法（抽吸容量55 mL，抽吸頻率30 s，抽吸持續(xù)時間3 s）[16]。捕集片采用Whatman 44 mm捕集片（CAT No. 9703-9654），每25口為一組，捕集器抽吸前后的重量差代表電子煙的氣溶膠釋放量。一次性電子煙抽至電子煙底部指示燈閃即停止抽吸，煙彈式電子煙抽吸前將電池充滿電，抽至電子煙指示燈閃即停止抽吸。記錄抽吸口數(shù)。

3 結果與討論

3.1 電池倍率放電性能分析

3.1.1 一次性電子煙電池倍率放電性能分析

對13種一次性電子煙用電池進行1.2 A倍率放電的電壓-時間曲線見圖2。鋰離子電池倍率放電一般經(jīng)歷電壓下降、電壓放電平臺和電壓再快速下降的過程，平臺電壓的高低、壓降下降趨勢、放電平臺時長等在不同的電池上表現(xiàn)是不同的，即使額定能量值相同或相近的電池，在倍率放電曲線上差異也比較明顯，如A22、A23、A24、B10和B11的額定能量值接近，但是A23和B10的放電平臺明顯低于A22和A24，持續(xù)放電時間方面A22超過了800 s，A23僅為605 s；同樣地，A25和A26的額定能量值接近，但是A25在放電平臺、持續(xù)放電時間方面都明顯優(yōu)于A26，這跟電池本身結構、材料、制造工藝和放電工步設置等密切相關。但是，也有一些電池的倍率特性放電明顯異常，如B6、B7、B9和B11和A27的電池放電表現(xiàn)為放電持續(xù)時間過短或電壓不穩(wěn)，占一次性電子煙用電池總數(shù)的38.5%，其中A27持續(xù)放電時間只有7 s，在圖上無法標識出來，這會導致抽吸持續(xù)時間不夠或者霧化器工作不穩(wěn)定，部分電池的倍率特性質量狀況不容樂觀。還有部分電子煙的倍率放電電壓平臺下降較快，如A21和A22，這會導致電池前后輸出功率不一致。如果電池倍率放電平臺下降過快，還應考慮增加穩(wěn)壓功能，以確保霧化器工作功率穩(wěn)定。

圖2 一次性電子煙電池倍率放電曲線Fig. 2 The rate discharge curves of batteries used in the disposable electronic cigarette

另外，對一次性電子煙用電池，尤其需要關注電池的自放電現(xiàn)象。該現(xiàn)象表現(xiàn)為電池放置時間越久其開路電壓越小，電池的自放電效應由電池正極材料、負極材料、隔膜及電解液性能決定，還與生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)要求、電池的老化程度、荷電狀態(tài)（SOC）和電池所處的溫度等因素有關系[17]。電池自放電效應會使其倍率放電的時長縮短和倍率放電容量降低，期望電池自放電率越小越好，但是這對工藝水平、材料和成本又密切相關，實際選用時需綜合考慮。

在相同的環(huán)境和測試工步下，電池倍率放電的平臺電壓越高、放電平臺時長越長，說明電池的倍率特性越好，但在實際電池選型時，并非要求電池倍率放電性能最優(yōu)，而是電池的性能與產(chǎn)品需求相匹配即可。具體產(chǎn)品設計時，可根據(jù)預期的抽吸口數(shù)、產(chǎn)品保質期、氣溶膠釋放穩(wěn)定性要求、截止電壓設定值、靜態(tài)功耗等要求，結合電池的倍率放電特性和自放電特性，以評估電池是否滿足需求。也可根據(jù)所選電池的倍率放電特性和自放電特性，并基于產(chǎn)品性能要求，估算產(chǎn)品可抽吸口數(shù)，最終實現(xiàn)當抽吸至達到推薦口數(shù)或煙油耗盡時，電池放電平臺剛好結束或略高的效果。

3.1.2 可充電電池倍率放電性能分析

圖3為可充電電池樣品1～24的循環(huán)倍率放電容量保持率曲線，其中橫坐標為循環(huán)次數(shù)，縱坐標為每次放電容量值與首次放電容量值的比值η，即容量保持率DCRR?？梢钥闯?，隨著充放電次數(shù)的增加，電池的倍率放電容量均發(fā)生不同程度的降低，尤其是不同品牌、不同容量的電子煙倍率放電性能差異很大，倍率放電較好的品牌如A4號經(jīng)過400次循環(huán)放電后DCRR值仍達94.0%，而倍率放電性能最差的A19號電池僅放電40次，DCRR值就低于60%。即使額定容量相同或相近的電池，DCRR值差異也很大，這說明電池額定容量并不能真實反映電池循環(huán)倍率放電性能，更不能反映電池實際工作壽命。

圖3 可充電電子煙倍率放電DCRR變化曲線Fig. 3 The DCRR curves of rate discharge of batteries used in the rechargeable electronic cigarette

表2為上述24種可充電電子煙電池在不同循環(huán)倍率放電次數(shù)時對應的DCRR值?？梢钥闯?，400次循環(huán)以后4種電池DCRR值在90%以上，13種電池DCRR值在80%以上，占可充電電池的52%，18種電池DCRR值在60%以上；2種電池不到100次循環(huán)DCRR值降至60%以下，6種電池經(jīng)200次循環(huán)后DCRR值降至60%以下。

表2 不同循環(huán)測試后電子煙電池容量保持率統(tǒng)計表Tab. 2 List of the DCRR values of batteries used in the rechargeable electronic cigarette under the different cycle tests

另外，在電池倍率放電性能測試中發(fā)現(xiàn)了電池放不出電（如B5電子煙電池）、鼓包（如A10電子煙電池）、漏液等異常情況，這都嚴重影響用戶體驗，且存在較大的安全隱患。

由于目前還未有專門針對電子煙用電池的強制技術標準或安全要求，無法對電池的質量作出合規(guī)性判斷。在電動車領域，已經(jīng)有對所用動力蓄電池的循環(huán)壽命和試驗方法進行的具體要求[18]，在電子煙領域同樣可以借鑒該思路對電池的性能做出約束，如經(jīng)過300次倍率放電其DCRR值不低于80%[19]，這樣可滿足電子煙一年左右的使用需求，同時便于指導產(chǎn)品設計、電池質量監(jiān)管和技術評價等。

3.2 電子煙氣溶膠釋放行為影響分析

3.2.1 電池性能對抽吸口數(shù)的影響

按2.2節(jié)的氣溶膠釋放測試方法對一次性電子煙進行抽吸口數(shù)測試，將測試結果與電池倍率放電結果匯總于表3。通過電池倍率放電時間除以3 s（CORRESTA抽吸方法推薦的單次抽吸持續(xù)時間），得到的估算抽吸口數(shù)與電子煙的實際抽吸口數(shù)大致相近，驗證了1.2 A倍率放電能更真實地反映電子煙用電池實際工作性能。考慮到一次性電子煙液較充足，說明電池的倍率放電時長決定電子煙的抽吸口數(shù)，而不是電池額定容量、型號等指標。從表3中可以看出，與電子煙宣傳或標注的抽吸口數(shù)相比，實測結果均不達標，電子煙產(chǎn)品的質量應該引起重視。這印證了在電子煙產(chǎn)品抽吸口數(shù)設計時，應該重視電池性能，尤其是電池倍率放電特性和自放電特性。

表3 一次性電子煙電池倍率放電及對應的電子煙氣溶膠釋放結果列表Tab. 3 List of the rate discharge of batteries and aerosol release of the corresponding disposable electronic cigarette

3.2.2 電池性能對電子煙氣溶膠釋放穩(wěn)定性的影響

對于連續(xù)使用的電子煙產(chǎn)品，電池對氣溶膠釋放穩(wěn)定性的影響不容忽視。選取倍率特性較好的C1電子煙電池桿兩端進行開孔處理，使得電子煙用電池的正負極露出，便于測得電池兩端的開路電壓。采用2.3所述方法對其進行氣溶膠釋放測試。抽吸前需測電池的開路電壓，且每組抽吸后對電子煙補加電子煙液，以保證煙液充足且重量相同，測試的結果如圖4所示。

圖4 電子煙氣溶膠釋放量與電池電壓的關系圖Fig. 4 The relationship between the aerosol release amount and battery voltage of electronic cigarette

可以看出，電壓越高，氣溶膠釋放量越大，電壓越小，氣溶膠釋放量越低。電壓對氣溶膠釋放量的影響大致經(jīng)歷四個階段：第一階段，即前四組，當電池電壓為3.85 V以上時，氣溶膠釋放量基本保持在每組62 mg以上的平臺上，每組平均為63.9 mg；第二階段，即第五至第七組，當電池電壓為3.76 V～3.81 V時，氣溶膠釋放量基本穩(wěn)定在每組58 mg的平臺位置，每組平均值為58.9 mg；第三階段，當電壓為3.65 V～3.73 V時，氣溶膠釋放量基本穩(wěn)定在每組52 mg的平臺位置，每組平均值為52.8 mg；第四階段，當電壓低于3.52 V以后，電壓不足，此時的氣溶膠釋放量急劇下降，直至低至3.13 V時，幾乎沒有氣溶膠釋放。以第一階段測得的氣溶膠量平均值作為基準，將不同階段的氣溶膠量與之做數(shù)學計算，結果表明，第二階段、第三階段和第四階段的氣溶膠釋放量降幅分別為7.8%、17.4%和40.4%。可以看出，在電池電壓較充足（≥3.76 V）時，氣溶膠逐口釋放量較穩(wěn)定，但是電壓進一步降低時，對氣溶膠釋放量的影響大。

進一步地，將電池型號和額定容量接近的C1和C2電子煙電池桿分別與C1煙彈組合進行氣溶膠釋放量測試，抽吸前電池充滿電，添加相同重量的同一種電子煙液，二者的倍率放電曲線和氣溶膠釋放結果分別見圖5和圖6?？梢钥闯?，C2電子煙用電池的倍率放電性能優(yōu)于C1，對應的每組氣溶膠釋放量大于后者約20%，且氣溶膠釋放穩(wěn)定性也優(yōu)于后者，前者前四組的氣溶膠釋放量標準偏差數(shù)值為2.5，后者為3.0。

圖5 兩種電池倍率放電DCRR變化曲線Fig. 5 DCRR change curve of rate discharge of two kinds of batteries

圖6 兩種電池對應的氣溶膠釋差異圖Fig. 6 T he difference of aerosol release between the two batteries

綜上，在電子煙產(chǎn)品設計時，選擇合適倍率放電性能電池對于改善煙霧釋放量及其穩(wěn)定性效果較明顯，同時在滿足產(chǎn)品設計條件下，電池截止電壓等電池參數(shù)的合理設置，也能改善氣溶膠釋放穩(wěn)定性。

4 結論

本論文分析了小功率電子煙的電池倍率放電性能差異，僅通過電池型號、額定容量或額定能量等信息不足以真實反映電池的實際工作性能。在電池性能評價時需重點關注其倍率放電性能、自放電、安全性等關鍵指標，盡快建立適用于電子煙或新型煙草制品的電池標準或技術規(guī)范。

其次，電池作為電子煙的核心元器件之一，其性能對可抽吸口數(shù)、氣溶膠釋放量、逐口釋放穩(wěn)定性影響較明顯。應深入開展對電池性能差異、不同技術指標對產(chǎn)品性能和品質的影響研究，為電子煙產(chǎn)品設計、質量控制、標準建立提供更充分依據(jù)。最重要的是當前電子煙產(chǎn)品和核心元器件質量安全現(xiàn)狀不容樂觀，盡快建立電子煙產(chǎn)品質量體系，出臺國家標準，規(guī)范電子煙行業(yè)發(fā)展。