锂电池安全试验设备设计——挤压试验机

李树辉

（工业和信息化部电子第五研究所， 广东 广州 510610）

锂电池安全试验设备设计
——挤压试验机

李树辉

（工业和信息化部电子第五研究所， 广东 广州 510610）

锂电池的安全性作为衡量电池性能的重要技术指标，为锂电池生产商及消费人群所关注，安全性能测试设备不但作为目前检验电池安全性能的工具，而且为后续的电池安全性研发提供试验手段。从现行的锂电池安全试验标准中探讨并汇总锂电池挤压试验要求，提出挤压设备的设计方案及其相应的解决途径。

安全试验标准；测试要求；设备设计方案；液压系统

0 引言

安全问题已成为制约锂电池向大型化、高能化方向发展的主要障碍。锂电池最大的安全隐患是爆炸、漏液等。在一些突发事件如电池过充电、针刺穿透、挤压，以及高温环境等情况下，电极和有机电解液容易发生化学反应， 如 SEI膜的分解、 有机电解液的氧化和还原，以及正极的分解，正极分解产生的氧气进一步地与有机电解液发生反应等。这些反应产生的大量热量如果不能及时地散失到周围环境中，必将导致热失控的产生，最终导致电池的燃烧和爆炸等[1]。 锂电池的安全性作为衡量电池性能的重要技术指标，为锂电池生产商及消费人群所关注，安全性能测试设备不但作为目前检验电池安全性能的工具，而且为后续的电池安全性研发提供试验手段。电池挤压试验作为其安全性能检测方法之一，本文试图汇总现行锂电池安全试验标准在挤压试验方面的要求，给出一套锂电池挤压试验设备的解决方案。

1 锂电池安全试验标准

a）目前世界上多个国家和国际组织都推出了自己的锂电池安全标准和检验要求，其中应用比较广泛的几个标准有：

1）UL 1642-2009[2]Lithium Batteries；

2）UL 2054 Ed 2[3]民用和商用电池（Household and Commercial Batteries）；

3）IEC 60950-1 Edition 1.0[4]信息技术设备的安全（Information technology equipment — Safety—Part 1:General requirements）；

4）IEC 60086-4:2007[5]一 次 电池 - 第 四 部分： 锂电池安全（Primary batteries-Part 4:Safety of lithium batteries）；

5）IEC 62133 Edition 1.0[6]便携式和便携式设备用密封含碱性或其他非酸性电解液二次电芯和电池（Secondary cells and batteries containing alkaline or other non-acid electrolytes-Safety requirements for portable sealed secondary cells， and for batteriesmade from them， for use in portable applications）；

6）IEC 61960 Edition 1.0[7]便携式设备用含碱性

或其他非酸性电解液二次电芯和电池-二次锂离子电芯和电池（Secondary cells and batteries containing alkaline or other non-acid electrolytes —Secondary lithium cells and batteries for portable applications）；

7）UN ST/SG/AC.10/11/Rev.4-2003[8]危险品货物运输建议书-试验和标准手册（Recommendations on the Transport of Dangerous Goods — Manual of Tests and Criteria， Fourth Revised Edition）；

8）GB/T 18287-2000[9]《蜂窝电话用锂离子电池总规范》；

9）IEEE Std 1625-2004[10]笔记本电脑用可充电 电 池（ IEEE Standard for Rechargeable Batteries for Portable Computing）；

10）IEEE Std 1725-2006[11]移动电话用可充电 电池（IEEE Standard for Rechargeable Batteries for Cellular Telephones）。

b）我国现行的锂离子电池安全标准或含有安全规定的产品规范如下：

1）QC/T 743-2006[12]《电动汽车用锂离子蓄电池》；

2）GB/T 18287-2000[13]《蜂窝电话用锂离子电池总规范》；

3）GB/Z 18333.1-2001[14]《电动道路车辆用锂离子蓄电池》；

4）YD 1268.1-2003[15]《移动通信手持机锂电池的安全要求和试验方法》；

5）SJ/T 11169-1998[16]《锂电池标准》（eqvUL1642： 1995）；

6）QB/T 2502-2000[17]《锂离子蓄电池总规范》；

7）GB/T 19521.11-2005[18]《锂电池组危险货物危险特性检验安全规范》；

8）SN/T1414.3-2004[19]《进出口蓄电池安全检验方法第 3部分： 锂离子蓄电池》。

2 锂电池挤压试验要求汇总及参数化

2.1 试验要求汇总

根据上述标准，可以汇总出锂电池安全测试要求 [2-19]：

a）单体电池挤压测试

单体锂电池充电后， 在（20±5）℃条件下搁置1 h。 按照下列条件进行试验。

1）挤压方向： 垂直于蓄电池单体排列方向施压；

2）挤压程度： 挤压至蓄电池模块原始尺寸的85%， 保持 5 min 后再挤压至蓄电池模块原始尺寸的 50%； 或出现要求中的压降（包括内部短路）；

3）挤压力： 最大挤压力为（100±6）kN， 对便携式锂离子电池为（13±1） kN。

b）模组电池挤压测试

电池组（低于 5 块）充电后， 在（20±5）℃条件下搁置1 h后按串联方式放置整齐，按照单体电池测试方法进行试验。

挤压板形式如图1所示：一侧是平板，一侧是异形板。异形板的半圆柱形挤压头的典型直径为75mm， 挤压头的典型间距为 30mm。

图1 异形板

另对电动汽车用锂离子蓄电池挤压头形式：不小于 20 cm2挤压头。

2.2 挤压设备的主要技术参数

a）符合锂电池安全标准中挤压测试的相关条款。

b）动力源： 液压机。

c）最大压力与施压方向：（100±6）kN， 水平施加压力。

d）工位： 1个， 带有一个金属防护罩。

e）试验工装： 金属试验平台， 两块挤压钢板（其中异形板半圆柱形挤压头的直径为 75 mm， 挤压头间距 30 mm； 外廓尺寸： 300 mm×150 mm）；不小于 20 cm2挤压头一个。

f）电池挤压行程： 大于 200mm。

g）功能（模式可选择）：

1）达到（13±1）kN 后自动停止施压， 液压机自动复位。

2）达到设定电池压降值后（在 10 VDC以内，可在此范围内设置）停止施压、达到设定的施压距离（样品尺寸的 85%）后， 保持 5 min 后再压至样品尺寸的 50%； 距离在 200 mm 内， 压力保持时间可设置 999 s内。

3）挤压程度： 直至蓄电池壳体破裂或内部短路（蓄电池电压变为 0 V）。

h）无线控制装置（启停挤压试验）， 控制范围8m内有效。

3 挤压设备的设计方案

3.1 设备总体方案

由测试方法可以看出，电池、电池组的挤压试验实际上就是将电池按正常使用条件放置，在垂直方向用压板将其破坏，考验其安全性能。根据测试要求，设备原理方框图如图2所示，设备整体布局简图如图3示。

图2 设备原理方框图

由图3可以看出，该设备由液压系统、电气控制系统、整体框架、工作台和电池挤压夹具构成。操作时，试验人员先把压板夹具固定在液压机台静压力板上，然后将电池固定在工作台面上，通过操作界面（遥控装置）来控制气缸前进或后退， 以对电池进行挤压。考虑到挤压实验存在一定的危险性，故将控制系统增加遥控装置启停试验，保证实验的安全距离。

图3 设备整体布局简图

3.2 液压系统的设计[20-21]

液压系统原理图如图4所示。

对液压系统的配置要求是：

1）电机： 380 V， 2.2 kW， 2 800 rpm；

2）油泵流量： 1.0～3.0 cc/r；

图4 液压系统原理图

3）油箱： 6 L；

4）安装方式： 卧式；

5）系统工作压力： 大于 20 MPa（200 kg/cm2）

6）油缸： 双作用单活塞杆液压缸， 液压杆可输出≥120 KN 力， 水平推出； 挤压行程≥250 mm；

7）压力传感器： 0～25 MPa；

8）配件： 220 V 三位四通电磁阀、 双单向节流阀、 压力继电器和液控单向阀， 以及 1.5 米 *2根油管。

工作过程说明：当油缸的液压臂对外施加压力达到设定的压力值时（操作界面设定）， 油缸停止施压并复位；当达到系统油压的上限值时，压力继电器动作，停止施压，活塞杆复位。

3.3 电气控制的设计

液压控制部分的电气采用单片机控制，主要控制当前设备挤压行程、压力和样品压降，以及时间等参数，设备触摸操作界面如图5所示，设备的具体控制过程如下：

a）根据电池样品试验需要的参数进行参数设定。

图5 设备操作界面

b）通过前进按键， 调整动压力板贴近样品。

c）启动试验键， 动压力板开始向前挤压电池；当达到设定的试验条件时，设备停止施压，动压力板返回起始位置。

d）确认停止后， 清理试验过的样品， 结束试验。

3.4 挤压工作台的设计

工作台的结构形式如图3所示，设计时需考虑以下几个问题：

a）因挤压力较大， 因此设计工作台的框架应采用 40 mm 厚的钢板， 中间支撑立柱采用 4 根φ30 钢棒连接。

b）考虑到气缸行程较长， 气缸缸体后面需加辅助支撑。

c）电池夹具设计时考虑到挤压时电解液会流出，使用材质需防腐蚀。

d）为了安全考虑， 在挤压时工作台安装金属防护罩盖，并设泄压气孔。

4 结束语

随着对电池体系、电池材料等安全性问题的深入研究，需从设计、生产、检测和使用方的共同努力等方面来解决锂电池的安全性问题，避免不安全因素的发生。通过有针对性的测试设备设计方案来提升锂电池在安全测试过程的操作安全性与数据的可靠性，促进锂离子动力电池的健康发展。

[1] 张 传 喜. 锂离 子 动 力 电池 安 全 性 研 究 进 展 [J]. 船 电 技术， 2009， 29（4）： 50-53.

[2]UL 1642-2009， Lithium batteries[S].

[3]UL 2054 Ed 2-1997， 民 用 和 商 用 电 池（Household andCommercial Batteries） [S].

[4]IEC 60950-1 Edition 1.0-2012， 信息 技 术 设 备 的安 全（ Information technology equipment-Safety-Part 1:General requirements） [S].

[5]IEC 60086-4-2007， 一次电池- 第四部分： 锂电池安全（Primary batteries-Part4： Safety of lithium batteries）[S].

[6]IEC 62133 Edition 1.0-2002， 便携式和便携式设备用密封含碱性或其他非酸性电解液二次电芯和电池（Secondary cells and batteries containing alkaline or other nonacid electrolytes-Safety requirements for portable sealed secondary cells， and for batteriesmade from them， for use in portable applications） [S].

[7]IEC 61960 Edition 1.0-2000， 便携式设备用含碱性或其他非酸性电解液二次电芯和电池-二次锂离子电芯和电池（ Secondary cells and batteries containing alkaline or other non-acid electrolytes-Secondary lithium cells and batteries for portable applications） [S].

[8]UN ST/SG/AC.10/11/Rev.4-2003， 危险品货物运输建议书-试验和标准手册（Recommendations on the Transport of Dangerous Goods-Manual of Tests and Criteria， Fourth Revised Edition） [S].

[9]GB/T 18287-2000， 蜂窝电话用锂离子电池总规范 [S].

[10]IEEE Std 1625-2004， 笔记本电脑用可充电电池（IEEE Standard for Rechargeable Batteries for Portable Computing） [S].

[11]IEEE Std 1725-2006， 移动电话用可充电电池（ IEEE Standard for Rechargeable Batteries for Cellular Telephones） [S].

[12]QC/T 743-2006， 电动汽车用锂离子蓄电池 [S].

[13]GB/T 18287-2000， 蜂窝电话用锂离子电池总规范 [S].

[14]GB/Z 18333.1-2001， 电 动道路 车 辆 用 锂 离子 蓄 电 池[S].

[15]YD 1268.1-2003， 移动通信手持机锂电池的安全要求和试验方法 [S].

[16]SJ/T 11169-1998， 锂 电 池 标 准（ eqvUL1642： 1995）[S].

[17]QB/T 2502-2000， 锂离子蓄电池总规范 [S].

[18]GB/T 19521.11-2005， 锂电池组危险货物危险特性检验安全规范 [S].

[19]SN/T 1414.3-2004， 进出口蓄电池安全检验方法第 3 部分： 锂离子蓄电池 [S].

[20] 刘延俊.液压元件使用指南 [M].北京： 化学工业出版社， 2009.

[21] 许贤良.液压传动 [M].北京： 国防工业出版社， 2011.

科学家在实验室中成功地模拟垂死恒星的极端环境

据报道，科学家们已经成功地模拟出星系中最为恶劣的环境，通过极端环境实验室参数设置，使他们更好地了解原子等粒子的行为。在本项研究中，科学家设置的条件与白矮星的表面环境相符，这是一种低质量恒星演化后的天体，电子简并压力可支撑起整个天体质量，其特点是具有非常强大的引力环境，有些白矮星在形成初期的温度较高。除此之外，白矮星的磁场也是惊人强大，是地球的数十亿倍。

令科学家感到不安的是，白矮星复杂的表面环境彻底地改变了原子物理，其行为也发生了较大的变化，类似这样的极端环境在宇宙空间中是较为常见的，但要想在地球上重现却相当的困难，甚至是不可能的。为了对白矮星环境进行模拟，英国萨里大学的研究小组使用了非常敏感的硅晶体，这是天体物理现象模拟上的重大材料突破，研究人员在硅晶体中加入了磷，因此在光谱实验室中获得了类似白矮星的磁场。结果显示，在一些情况下，氢原子周围的电子云可被重塑为各种形状，比如细长的扇形。

剑桥天文学研究所保罗教授是该论文的另一作者，他认为我们对氢原子的强磁场环境下的行为研究还不到一个世纪，但现在为止还没有人能够测试其在白矮星极端表面下的现象，我们很期待观察会有何种情况发生。该研究小组目前正在寻找更复杂的原子和分子在白矮星极端环境下的行为。萨里大学博士后研究员埃利斯·鲍耶认为这项研究不局限于天文学，对微小电子云的控制可让我们设计出新的计算机芯片，这就是量子计算机。

（摘自腾讯科技）

Lithium Battery Safety Test Equipment Design--Com pression Test M achine

LIShu-hui
（CEPREI， Guangzhou 510610， China）

The safety of lithium batteries as a measure of important technical index of the batteries performance are concerned by the lithium battery manufacturers and consumer groups. The safety performance test equipment is not only a tool to inspect the battery safety performance，but also provides the test means for following-up R&D of battery safety.The lithium battery extrusion test requirements are discussed and summarized from the current lithium battery safety test standards.The design of the com pression equipment and its corresponding solutions are proposed.

safety test standards； test requirements； equipment design； hydraulic systems

TB 114.35

:B

:1672-5468（2014）01-0055-05

10.3969/j.issn.1672-5468.2014.01.013

2013-05-14

2013-05-20

李树辉（1982-）， 男， 广东云浮人， 工业和信息化部电子第五研究所赛宝质量安全检测中心工程师， 从事仪器设备的研制工作。