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鋰電池安全測試項目分析

文章出處:公司動態(tài) 責(zé)任編輯:東莞市至上檢測設(shè)備有限公司 發(fā)表時間:2018-01-24
  

鋰電池安全測試項目分析

截止今天,鋰離子電池的應(yīng)用已經(jīng)取得了巨大的成功,特別是其廣泛應(yīng)用在了在移動電子產(chǎn)品。但不能忽視的是,自從鋰離子電池大規(guī)模商業(yè)化推廣以來,與其相關(guān)的安全事故就幾乎沒有停止過。鋰離子電池的安全性已經(jīng)成為制約其進一步發(fā)展的關(guān)鍵因素。鑒于電池材料體系、制造過程一致性等原因,對鋰離子電池進行安全性檢測將非常的重要。

    目前針對鋰離子電池的安全檢測標(biāo)準(zhǔn)在不斷的更新中,但其基本安全檢測模式已經(jīng)成型,各種常見的檢測項目也已被廣泛接納和采用。在安全檢測項目中,每個檢測項目都模擬了一種用戶在使用過程中可能會發(fā)生的誤(濫)用情況。如過充電測試模擬的是保護電路板失效的情況。由于模擬的情況不同,鋰離子電池各個安全測試項目的難度顯然是不同的。根據(jù)摩爾實驗室(MORLAB)的以往檢測經(jīng)驗,過充電、150℃熱沖擊、針刺、擠壓、高溫短路、重物沖擊等是經(jīng)常發(fā)生失效(Fail)的項目。

    由于內(nèi)容設(shè)計面較多,因此我們將分期介紹并分析各種鋰電池測試項目的相關(guān)程序、標(biāo)準(zhǔn)要求、失效原因以及對應(yīng)的解決方案。本期我們主要講一下鋰電池的熱沖擊測試項目。

熱沖擊:

    以CTIA 關(guān)于符合IEEE1725標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證程序為例,其中與熱沖擊有關(guān)的條款:

    Section 4.2:

        Test Procedure:  5 cells at 80% +/- 5%SOC to be placed in oven at ambient temperature. The oven temperature shall be ramped at 5 ± 2°C per minute to 150 ± 2°C. After 10 minutes at 150 ± 2°C, the test is complete.

        Compliance:       No fire, smoke, explosion or breaching of the cell is allowed within t he first 10 minutes. Venting is permitted.

    Section 4.50:

        Test Procedure:  5 fully charged cells (per cell manufacture's specifications) shall be suspended (no heat transfer allowed to non-integral cell components) in a gravity convection or circulating air oven at ambient temperature. The oven temperature shall be ramped at 5 ± 2°C per minute to 130 ± 2°C. After 1 hour at 130 ± 2°C, the test is ended.

        Compliance:      Cells shall not flame or explode when exposed to 130°C for 1h.

熱沖擊項目分析:

    目前標(biāo)準(zhǔn)中熱沖擊項目要求不盡相同,最常見的是熱沖擊到130°C并保持1小時。其它的要求如:130°C /0.5h,150°C /10min,150°C /0.5h。 其中150°C /0.5h熱沖擊條件最常出現(xiàn)失效的情況。

失效原因分析:

    在熱沖擊測試過程中(如150℃),只有內(nèi)部烘箱的熱能、電池內(nèi)部的活性物質(zhì)的內(nèi)能,以及貯存在鋰離子電池中的電能。即使是150°C的烘箱溫度也不會達(dá)到處于滿充狀態(tài)的電池中活性物質(zhì)的著火點。那么很顯然電池失效的原因為電池內(nèi)部物質(zhì)電能或者是內(nèi)能的釋放。足夠多的熱量被釋放出來后,將引起電池內(nèi)部劇烈的化學(xué)反應(yīng),最后將導(dǎo)致被測物而失效(Fail)。

    在本測試中,電池本身熱量產(chǎn)生的來源有以下幾種可能:1)外部烘箱的熱量傳遞;2)陽極化學(xué)反應(yīng)的放熱;3)陰極化學(xué)反應(yīng)的放熱;4)隔膜在高溫下收縮或融化,導(dǎo)致陰陽極短路而釋放出熱量。

    如果陽極材料的熱穩(wěn)定性差,高溫下SEI膜分解反應(yīng)強烈,則陽極在達(dá)到150℃后溫度會繼續(xù)上升,并且熱失控而放出大量熱。

    如果陰極材料的熱穩(wěn)定性差,高溫下其和電解液起反應(yīng)(起始溫度約150℃)所放出的熱量不斷積累后最終使電池內(nèi)部溫度達(dá)到熱失控而大量放熱,此時發(fā)送此現(xiàn)象通常是在達(dá)到150℃后的10~15分鐘左右。

    鋰電池所有隔膜由于原料和工藝的不同,它的熱穩(wěn)定性也有所不同。聚丙烯(PP)材料的隔膜熔點在160℃左右,聚乙烯(PE)材料的隔膜熔點在130℃左右,多層隔膜的熔點與其組成成分有關(guān)系。當(dāng)整個電池做150℃熱沖擊測試時,可以通過上面的原理進行分析。

解決方案建議:

    如果出現(xiàn)熱沖擊測試失效,根據(jù)上述描述確定了電池的主要發(fā)熱源后,可以采用熱穩(wěn)定性更高的材料來優(yōu)化或者改變設(shè)計比例方式,使電極在滿充狀態(tài)時處于比較穩(wěn)定的電壓狀態(tài)。

    摩爾實驗室(MORLAB)的電池測試團隊在實際檢測工作中積累了大量的電池檢驗數(shù)據(jù)和相關(guān)的實際檢驗經(jīng)驗。但鑒于篇幅就不過多的展開了,其它測試項目的分析我們將在后續(xù)幾期中予以陸續(xù)補充。

在鋰離子電池的安全檢測項目中,每個檢測項目都模擬了一種有可能發(fā)生的誤(濫)用情況。如過充電測試模擬的是保護IC失效的情況。由于模擬的情況不同,鋰離子電池各個安全測試項目的難度顯然是不同的。根據(jù)檢測經(jīng)驗,過充電、150℃熱沖擊、針刺、擠壓、高溫短路、重物沖擊等是經(jīng)常發(fā)生失效的項目。

    在上一期中我們介紹了熱沖擊測試項目的程序、標(biāo)準(zhǔn)要求、失效原因分析以及解決方案建議具體請詳見上期《鋰電池安全測試項目分析(一)》。本期我們將著重介紹鋰電池的過充電測試。

過充電項目

    (一)目前對應(yīng)普通鋰電池的國際標(biāo)準(zhǔn):
    以IEC62133標(biāo)準(zhǔn)及目前普通鋰電池的國內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為例,其中與過充電有關(guān)的條款如下:

    Section 4.3.9 of IEC 62133:2002 

    測試流程:  The cell is discharged as described in IEC 61960, then charged from a power supply of ≥10 V, at the charging current Irec, recommended by the manufacturer, for 2,5 C5/Irec h.

    測試判據(jù):  No fire, no explosion.

    (二)目前對應(yīng)普通鋰電池的國內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn):

    測試流程:  電池充滿電,之后以3C5A充電,直至電池電壓為4.6V/4.8V5V,電流降至接近0A。試驗直到電池出現(xiàn)起火、爆炸,或電池表面溫度降到比峰值低10℃,結(jié)束試驗。

    測試判據(jù): 不起火、不爆炸

    (三)標(biāo)準(zhǔn)分析:

    對于終端用戶來講,由于所使用的均是帶有保護IC的 Battery Pack,正常情況下會有過充電保護,從而阻止電池過度充電。但如果保護IC異常失效,則電芯承受一定過充電能力就顯得重要了,目前次品充電器和次品Battery Pack在市場上泛濫,對消費者來說這也增加了電池被過充電的可能性和危險性。 現(xiàn)階段對于普通電子產(chǎn)品鋰電芯而言,最通用的過充電標(biāo)準(zhǔn)是3C/4.6V 或3C/4.8V,但也有更為嚴(yán)格的要求如3C/5.0V、1C/10V、1C/12V、3C/10V等,這些嚴(yán)格的要求就需要通過優(yōu)化設(shè)計或更改材料來達(dá)到了。

    (四)失效原因分析:

    通過對過充后而未起火爆炸的電芯進行解剖觀察,通常我們可以發(fā)現(xiàn)如下事實:

    ① 內(nèi)部有少量的氣體生成;
    ② 負(fù)極呈現(xiàn)金黃色至微紅色,之后迅速變白色。放入水中,有非常劇烈的反應(yīng);
    ③ 正極呈現(xiàn)灰色;
    ④ 集流體Al箔和Cu箔沒有明顯的變化;
    ⑤ 通過DSC等手段,可發(fā)現(xiàn)隔膜也沒有發(fā)生明顯的變化;

    通過鋰電池的充放電機理及實際過充現(xiàn)象的分析我們知道在過充電時,過量的鋰離子從正極脫出,嵌入或沉積到電池負(fù)極上,使得兩個電極的熱穩(wěn)定性變差,正極傾向于分解并釋放化學(xué)能同時會產(chǎn)生大量的熱,釋放出氧氣能夠催化電解液的分解。當(dāng)溫度足夠高時,將引起負(fù)極的化學(xué)反應(yīng),負(fù)極上沉積的活性金屬鋰與溶劑反應(yīng)后放熱,使化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能,電池的溫度將由此迅速升高,最終導(dǎo)致熱失控而發(fā)生危險事故。

    鋰電池過充狀態(tài)下的電流率也是影響電池過充性能的重要因素,尤其是高容量電池更是如此。這主要是由于電池中的鋰與電池負(fù)極中的石墨碳形成LiC6n化合物,其的反應(yīng)速度是一定的。在小電流充電時,不會形成鋰原子堆積,因此比較安全。在大電流時形成鋰原子速度會比形成LiC6n速度快,因此在此情況下會造成鋰原子堆積,電池易產(chǎn)生負(fù)反應(yīng)或形成鋰枝晶,從而導(dǎo)致放出大量的熱量而產(chǎn)生危險。

    電池容量的大小會影響電芯的產(chǎn)熱、散熱速率,同樣也是一個影響電池過充性能的重要因素。在相同的化學(xué)體系下,低容量電池過充性能會優(yōu)于高容量電池,這也是為什么高容量鋰電池相對不安全的原因之一。

    (五)解決方案建議:

    根據(jù)上述失效分析,我們可以有針對性的采用熱穩(wěn)定性更好的材料(如有過充添加劑的電解液,在過充電時添加劑聚合,增加電池內(nèi)阻,以降低發(fā)熱量)來增加防過充性能,減小體密度在一定程度上也可以優(yōu)化過充性能。對于終端電子產(chǎn)品設(shè)計者及使用者來講,應(yīng)盡量避免使電池大電流充電。

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