锂离子电池安全测试条件的研究

王彩娟，宋 杨，金 挺，赵 永

(吴江出入境检验检疫局电池产品检测实验室，江苏 吴江 215200)

锂离子电池安全性能的研究［1－2］倍受关注，标准化机构制定的锂离子电池检测标准也日趋细化。外部短路和重物撞击测试是锂离子电池检测标准中典型的安全测试项目，都可能导致电池发生内部短路而失效。现有标准中的测试条件还有不明确的部分，可能会影响测试的结果。

本文作者研究了外部短路和重物撞击测试中不明确的测试条件对结果的影响，以期为锂离子电池安全性能的有效评估提供参考。

1 实验

1.1 仪器与材料

仪器:FBIM-1 型防爆撞击箱(苏州产)、SET-010F 型小型高温箱(广州产)和安全项目综合测试仪(无锡产)。

实验电池样品:18650 型锂离子电池芯(南京产，3.6 V、2 150 mAh)，铝塑膜包装锂离子电池芯(吴江产，150 mm ×82 mm×11.5 mm，3.8 V、10.0 Ah)。

1.2 测试内容

1.2.1 重物撞击

在运输和使用过程中，锂离子电池有可能遭遇外来重物的撞击而发生严重变形，引发内部短路。在这种状况下，锂离子电池安全性能的好坏十分重要。在撞击后，电池的温度上升至120℃以上，随后，通过泄气或隔膜阻断，使温度逐渐下降。如果无法正常泄气或隔膜阻断，内部短路将继续进行，电池就可能会热失控，甚至爆炸、起火。在试验过程中，重物撞击在电池表面的铁棒上，电池因外力的作用而变形，内部隔膜受挤压破裂，使电池发生内部短路，产生一个较大的放电电流通过正负极，导致电池发生多层的内部短路。在撞击过程中，钢棒与电池接触方式的不同，可能导致电池承受不同强度的撞击，引发不同强度的内部短路。现有锂离子电池标准中的重物撞击项目规定了重物质量、钢棒直径和跌落高度，但对钢棒的放置方式，没有很明确的规定［3－6］。

在实际使用的过程中，重物撞击的强度往往不同。按照UL1642-2012 中第14 条款的方法，重物撞击测试时只要求受试电池的长轴平行于平面，且与放在试样中心的钢棒的长轴垂直，但对钢棒是否应平行于平面，没有明确的规定。

为了研究钢棒的不同放置方式对撞击强度的影响，本文作者以铬铜合金为样品进行模拟测试，对实际重物跌落时钢棒可能存在的两种放置方式进行测试。每种放置方式平行测试3 次。撞式方法a.将钢棒侧放在铬铜合金上，钢棒的一侧与平面接触，在撞击的过程中，重物通过钢棒撞在铬铜合金的侧面，如图1a 所示;撞击方法b.将钢棒平行放置在铬铜合金上，与平面平行，在重物撞击的过程中，重物通过钢棒撞在铬铜合金的正中心，如图1b 所示。

图1 重物撞击试验示意图Fig.1 Schematic diagram for test of heavy impact

随后，以18650 型锂离子电池芯(满电)为样品，进行了重物撞击测试。

1.2.2 不同线阻下的外部短路

锂离子电池标准IEC62133［7］和UN38.3［8］中的外部短路试验，只规定了短路线阻的上限，未规定下限。

对铝塑膜包装锂离子电池芯在不同的短路线阻条件下进行测试，短路用导线材质为铜鞭，长度为40 cm，截面为长方形，接触方式为正、负极片夹在两块铜片之间连接，研究外部短路线阻对试验结果的影响。直接对粘有聚丙烯(PP)材料的负极端子在不同电流(10A、20 A、30 A、40 A 和50 A)下进行通电测试，研究短路线阻影响试验结果的原因。

2 结果与讨论

2.1 重物撞击结果与原因分析

试验结果表明，重物撞击时钢棒的两种不同放置方式会导致受试铬铜合金被撞击处的深度、长度和面积产生较大的差异，如图2 和表1。

图2 铬铜合金重物撞击试验的结果Fig.2 Results of heavy impact test with chromium copper alloy

表1 铬铜合金重物撞击试验的数据Table 1 Data of heavy impact test with chromium copper alloy

从表1 可知，正中心撞击和侧面撞击对铬铜合金造成的平均损害面积分别为31.942 mm2、24.100 mm2，正中心撞击对铬铜合金造成的损害面积，比侧面撞击高出32.5%。

对18650 型锂离子电池芯(满电)进行上述测试，按图1a放置的5 只均未起火，按图1b 放置的5 只中，有3 只起火。这说明:在实际使用的过程中，如果该类圆柱形锂离子电池遭受不同角度的重物撞击，受损程度会有很大的差异，产生的危险性也会有很大的差别。现有标准中重物撞击测试条件不够明确，对实际状况的模拟程度有很大的局限性。

铝塑膜包装或方形铝壳包装的电池，由于是棱形或接近棱形，当钢棒放置在电池表面时，钢棒与电池是轴向相切的，始终与电池表面平行，不存在钢棒一侧与平面接触的情况。

2.2 不同线阻下的外部短路结果与原因分析

电动自行车用电池的锂离子电池芯，单芯容量一般约为10 Ah，电阻很小(20 mΩ 以下)。不同的短路电阻会对外部短路的电流产生很大的影响，并影响测试结果。线阻对外部短路测试的影响见表2。

表2 线阻对外部短路测试的影响Table 2 Effect of wire resistance to external short circuit test

从表2 可知，以37 mΩ 的线阻进行外部短路测试时，会使电池芯负极端子的PP 材料被烧毁。在开始测试的2 min内，锂离子电池芯负极端出现火苗，随后熄灭。试验完毕后，锂离子电池芯负极端有开口的现象。

直接对粘有PP 材料的负极端子在不同的电流下进行通电测试，测试结果见图3 和表3。

图3 不同电流对应的试验结果Fig.3 Test results corresponding to different current

表3 不同电流对应的发热温度Table 3 Heating temperature corresponding to different current

从表3 可知，当通过负极端子处的电流超过40 A 时，负极端子的温度可达400℃，比PP 的着火点(300～440℃)高，粘着的PP 材料被烧毁。

试验电池的负极耳为镍片(190 mm×95 mm)，负极端子处的电流密度(J)用式(1)计算:

式(1)中:I 为电流，S 为面积，U 为电压，R 为总电阻。当U=4.2 V 时，若R=57 mΩ［37 mΩ(线阻)+20 mΩ(锂离子电池芯内阻)］，则I=73.6 A，即J=4 077 A/m2。

根据试验过程中监测到的负极端子的发热温度随电流的变化情况(表3)，绘制了温度峰值与电流的关系曲线，如图4 所示。

图4 不同电流下的温度峰值Fig.4 Heating temperature peak value corresponding to different current

从图4 可推测，当负极端子通过75 A 的电流时，发热温度将达到800℃，远远超过负极PP 的着火点。当试验线阻值为37 mΩ 时，通过负极端子的电流将达73.6 A，发热温度将接近800℃，此时负极PP 会被引燃。这说明，外部短路线阻对短路电流和发热温度有重要的影响。

现有标准中关于外部短路的线阻值的规定应更细化，明确规定线阻值的上、下限，会更有利于测试结果的一致性，便于进行符合性判定。

3 小结

对于检测方法特别是安全项目检测方法，由于测试过程中可能会导致电池发生内部短路，如果参数要求不明确、不规范，就会导致内部短路程度有很大差异，从而可能会对测试结果的一致性造成很大影响。在重物撞击试验中，电池芯上钢棒放置的位置不同会造成撞击强度产生很大的差异，导致不同的试验结果，对于样品的符合性评价有很大的影响。同样，对于外部短路试验，由于在不同的短路电阻下短路电流会产生很大的差异，如果对试验的短路电阻值规定的不够明确，就可能在不同的短路电阻下产生相反的试验结果。现有电池标准中的重物撞击、外部短路等安全项目的测试条件和测试参数还不够明确，有待进一步完善。

［1］TANG Zhi-yuan(唐致远)，CHEN Yu-hong(陈玉红)，LU Xing-he(卢星河)，et al.锂离子电池安全性的研究［J］.Battery Bimonthly(电池)，2006，36(1):74－76.

［2］HU Yang(胡杨)，LI Yan(李艳)，ZHONG Sheng-wen(钟盛文)，et al.18650 型锂离子电池的安全性能研究［J］.Battery Bimonthly(电池)，2006，6(3):192－194.

［3］GB/T 18287-2000，蜂窝电话用锂离子电池总规范［S］.

［4］GB/T 18287-20XX 报批稿，移动电话用锂离子电池及蓄电池组通用规范［S］.

［5］UL1642-2012，Lithium Batteries［S］.

［6］UL 2054-2011，Household and Commercial Batteries［S］.

［7］IEC62133-2002，Secondary Cells and Batteries Containing Alkaline or Other Non-Acid Electrolytes -Safety Requirements for Portable Sealed Secondary Cells，and for Batteries Made from Them，for Use in Portable Applications［S］.

［8］UN38.3 ST/SG/AC.10/11/Rev.5/Amend.1 38.3，Recommendations on Transportation of Dangerous Goods Manual of Tests and Criteria［S］.