工業(yè)級(jí)平板電腦鋰電池安全標(biāo)準(zhǔn)

摘要：本文綜述了國(guó)內(nèi)外鋰電池安全標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)介紹了各種安全測(cè)試方法的差異及目的，並對(duì)近年來(lái)出現(xiàn)的一些新的測(cè)試方法進(jìn)行了探討。

1.?引言：自從鋰電池面世以來(lái)，就以其卓越的性能迅速成為蓄電池領(lǐng)域的佼佼者，但是隨著其應(yīng)用範(fàn)圍的逐漸擴(kuò)大以及單個(gè)電池的體積能量密度越來(lái)越高，容量越來(lái)越大，鋰電池的安全性也越來(lái)越被人們所關(guān)注。近年來(lái)，針對(duì)工業(yè)平板電腦鋰電池的檢測(cè)手段越來(lái)越成熟，國(guó)際和國(guó)內(nèi)都相繼推出了多個(gè)安全性標(biāo)準(zhǔn)，如GB/T?18287-2000、IEC?62133、UL?1642、IEEE?1625等，另外，還有很多針對(duì)鋰電池運(yùn)輸、在設(shè)備中使用時(shí)的安全標(biāo)準(zhǔn)，如UN?38.3、GB?4943等，但是近年來(lái)隨著鋰電池的普及和容量的增大，還是屢屢發(fā)生鋰離子電池爆炸傷人或因安全隱患召回產(chǎn)品等事件，各個(gè)國(guó)家都在紛紛研究新的鋰電池安全技術(shù)，開(kāi)展更適合當(dāng)今鋰電池的檢測(cè)手段，如日本JIS?C?8714的強(qiáng)制內(nèi)部短路試驗(yàn)，IEC的上下限溫度測(cè)試手段、鈍刺試驗(yàn)等，我們國(guó)家也正在積極地制訂新的鋰電池強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)。本文試圖對(duì)各種鋰電池檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)作一個(gè)歸納，並對(duì)鋰電池新的檢測(cè)方法進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的探討。

2.?鋰電池安全標(biāo)準(zhǔn)目前全世界許多的國(guó)家和國(guó)際組織都推出了自己的鋰電池安全標(biāo)準(zhǔn)和檢驗(yàn)要求，其中應(yīng)用比較廣泛的幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)有：IEC?62133?Edition?1.0?可擕式和可擕式設(shè)備用密封含鹼性或其他非酸性電解液二次電芯和電池；IEC?61960?Edition?1.0可擕式設(shè)備用含鹼性或其他非酸性電解液二次電芯和電池-二次鋰離子電芯和電池IEC?60950-1?Edition?1.0?資訊技術(shù)設(shè)備的安全；IEC?60086-4:2019?一次電池-第四部分：鋰電池安全

3.?鋰電池檢測(cè)方法以上幾個(gè)主要的鋰電池標(biāo)準(zhǔn)分別從不同的角度考察了鋰電池的安全性和電性能，現(xiàn)將分類(lèi)如下：從上表可以看出，目前鋰電池的各種標(biāo)準(zhǔn)主要從三個(gè)角度考察鋰電池的電性能及安全性能：

1.產(chǎn)品使用安全性；

2.環(huán)境適應(yīng)性；

3.電性能。不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電池的檢測(cè)各有側(cè)重：IEC?61960主要側(cè)重於鋰電池的電性能測(cè)試；IEC?62133和日本JIS?C?8714要求側(cè)重于產(chǎn)品使用安全和環(huán)境適應(yīng)性安全；GB/T?18287不僅包含了部分安全檢測(cè)專(zhuān)案，還涵蓋了性能測(cè)試；UL?2054和UL?1642則全面考察電芯和電池在各種使用環(huán)境下，包括故障條件、重壓條件、燃燒條件下的安全性。

4.?新測(cè)試方法的探討隨著鋰電池技術(shù)的不斷進(jìn)步，各個(gè)國(guó)家都在研究開(kāi)展適合當(dāng)今鋰電池的檢測(cè)手段。如目前正在制定的IEC?62133?Ed2討論稿中提出的鈍刺試驗(yàn)和上、下限試驗(yàn)溫度；日本JIS?C?8714提出的強(qiáng)制內(nèi)部短路試驗(yàn)等。有些試驗(yàn)項(xiàng)目是對(duì)過(guò)去檢測(cè)項(xiàng)目的改進(jìn)，有些則是全新的檢測(cè)項(xiàng)目。我們就目前討論比較多的幾個(gè)測(cè)試專(zhuān)案和測(cè)試條件作些簡(jiǎn)單地探討。

4.1?上、下限試驗(yàn)溫度上、下限試驗(yàn)溫度錶示電池可使用上限充電電壓及最大充電電流時(shí)，電芯表面的最高溫度和最低溫度。上、下限試驗(yàn)溫度是根據(jù)鋰電池的材料特性制定出來(lái)的，IEC?62133?Ed2討論稿和JIS?C?8714提出的上、下限試驗(yàn)溫度分別是45℃和10℃，是根據(jù)目前市面上比較普遍的鋰離子電池材料特性制定的，並不能代表所有的鋰電池，JIS?C?8714中提出，如果需要採(cǎi)用新的上、下限試驗(yàn)溫度，則需要進(jìn)行一定的試驗(yàn)並補(bǔ)充資料依據(jù)。其試驗(yàn)考察內(nèi)容包括：正極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、電解液的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等材料特性，需保證在新上限試驗(yàn)溫度下的已充電電池的安全性，並且在新上限試驗(yàn)溫度中加上5℃適用JIS?C?8714?

第5.1款的充電條件，且符合第5.2～5.5款的試驗(yàn)要求；基於負(fù)極材料的鋰離子吸納性、電解液的鋰離子移動(dòng)度等（與溫度相應(yīng)），需保證在新下限試驗(yàn)溫度下的已充電電池的安全性，並且在新下限試驗(yàn)溫度中加上-5℃適用5.1款的充電條件，且符合5.2～5.5款的試驗(yàn)要求。IEC?62133?Ed2討論稿中也有類(lèi)似的要求。?

4.2?強(qiáng)制內(nèi)部短路試驗(yàn)強(qiáng)制內(nèi)部短路試驗(yàn)是由日本有關(guān)方面最先提出的。2019年，日本某公司生產(chǎn)的筆記型電腦用電池發(fā)生起火，有關(guān)方面在詳細(xì)研究分析了電池起火的原因後，認(rèn)為是由於在生產(chǎn)過(guò)程中工業(yè)平板電腦鋰電池內(nèi)部混入了金屬小微粒，小微粒刺穿正、負(fù)極之間的隔膜，導(dǎo)致了電池內(nèi)部短路，從而造成電池起火。強(qiáng)制內(nèi)部短路試驗(yàn)試圖類(lèi)比這種金屬微粒刺穿隔膜造成內(nèi)部短路的情況，試驗(yàn)分別從兩個(gè)位置考察內(nèi)部短路：正極活性物質(zhì)-負(fù)極活性物質(zhì)之間；正極鋁箔-負(fù)極活性物質(zhì)。試驗(yàn)時(shí)首先在結(jié)露點(diǎn)低於-25℃的環(huán)境下將充滿(mǎn)電的電芯分解，然後分別在上兩個(gè)位置放置小鎳片，卷回電池，放入密封的聚乙烯袋中，分別在上限（下限）試驗(yàn)溫度加上（減去）5℃的條件下放置45min，然後分別在上、下限試驗(yàn)溫度條件下，用標(biāo)準(zhǔn)加壓工具以0.1mm/秒的速度對(duì)準(zhǔn)放置鎳片位置施加壓力，直至觀(guān)測(cè)到內(nèi)部短路引起電壓下降50mV或壓力達(dá)到要求（圓形電池800N，方形電池400N）為止，壓力保持30s後解除。要求電池在內(nèi)部短路的情況下不起火、不爆炸。強(qiáng)制內(nèi)部短路試驗(yàn)受到了較多的爭(zhēng)議，主要是電池在拆解的過(guò)程中破壞其電化學(xué)環(huán)境，雖然拆解過(guò)程要求在露點(diǎn)低於-25℃的環(huán)境下進(jìn)行，但是仍不能完全保證電池維持原有狀態(tài)，在包卷回去的電芯是否能有效模擬正常電池的內(nèi)部短路仍然存在一定爭(zhēng)議。

4.3?鈍刺試驗(yàn)IEC?62133?Ed2討論稿中提出來(lái)一個(gè)鈍刺試驗(yàn)項(xiàng)目（Blunt?nail?crush），其試驗(yàn)內(nèi)容有些類(lèi)似強(qiáng)制內(nèi)部短路試驗(yàn)，用一根硬度不小於SKD-11級(jí)、直徑3.2mm的圓頭鋼針，0.1mm/sec的速度擠壓電池，當(dāng)電壓降達(dá)到100mV時(shí)停止加壓，當(dāng)樣品冷卻到室溫±10時(shí)試驗(yàn)停止。鈍刺試驗(yàn)也是針對(duì)電池內(nèi)部短路現(xiàn)象而提出來(lái)的，在試驗(yàn)條件和設(shè)計(jì)理念上都與強(qiáng)制內(nèi)部短路試驗(yàn)有很多類(lèi)似之處，其優(yōu)點(diǎn)是不需要拆解電池，不會(huì)破壞鋰電池原的化學(xué)環(huán)境，可操作性更強(qiáng)。但是鈍刺試驗(yàn)是否能完全類(lèi)比電池內(nèi)部短路情況仍在研究之中，目前國(guó)際電子電機(jī)委員會(huì)(International?Electrotechnical?Commission)仍在對(duì)IEC?62133?Ed2中是否採(cǎi)用“強(qiáng)制內(nèi)部短路試驗(yàn)”和“鈍刺試驗(yàn)”進(jìn)行討論。

4.4?過(guò)充電試驗(yàn)?IEC?62133?Ed2討論稿中，對(duì)過(guò)充電試驗(yàn)提出了一些新的修改。2002版中對(duì)過(guò)充電試驗(yàn)的試驗(yàn)內(nèi)容為5個(gè)按標(biāo)準(zhǔn)放電後的電芯，用10V以上的電源充電，充電電流Irec（製造商推薦值），達(dá)額定容量的250%，即充電時(shí)間是2.5?C5/Irec?h，要求：無(wú)著火、無(wú)爆炸。在過(guò)去近十年的鋰電池試驗(yàn)中，鋰電芯的過(guò)充電試驗(yàn)都是比較難於通過(guò)的一個(gè)試驗(yàn)，主要是10V的充電電壓要求過(guò)於嚴(yán)格。其實(shí)消費(fèi)者所能接觸到的電池一般都是帶有PCB保護(hù)板的，PCB保護(hù)板通常帶有限壓保護(hù)電路，能有效防止電芯的過(guò)充電；再者，一般來(lái)說(shuō)，250％充電時(shí)的電壓一般達(dá)到5V左右，測(cè)試要求使用10V的施加電壓，是為了確保測(cè)試的穩(wěn)妥性。這次IEC?62133?Ed2討論稿中修改了針對(duì)電芯的過(guò)充電試驗(yàn)條件：按標(biāo)準(zhǔn)放電後的電芯，充電電流2.5Irec（製造商推薦值），達(dá)額定容量的250%；另外還增加了對(duì)電池包的過(guò)充電試驗(yàn)，其試驗(yàn)內(nèi)容為：標(biāo)準(zhǔn)放電後的電池，以2ItA恒流充電，充電電壓不大於推薦充電器的最大充電電壓。

5.?結(jié)束語(yǔ)：隨著工業(yè)平板電腦鋰電池的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，新的鋰電池標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)條件將會(huì)不斷被推出，特別是鋰動(dòng)力電池的研究和應(yīng)用，對(duì)鋰電池的安全性和環(huán)境適應(yīng)性提出了更高、更複雜的要求，如何有效的模擬複雜環(huán)境下鋰電池的使用特性，保證生產(chǎn)出的鋰電池的安全性，都成為擺在鋰電池測(cè)試工程師面前的問(wèn)題。只有不斷研究探索鋰電池的電化學(xué)特性和使用環(huán)境特性，才能制定出更加符合當(dāng)今鋰電池的試驗(yàn)專(zhuān)案和檢測(cè)條件。