锂电池检测的安全分级和安全标准探讨

赵海波籍芳徐文燕叶长青姜春宝

（1.惠州出入境检验检疫局 广东惠州 516006；2.江门出入境检验检疫局）

锂电池检测的安全分级和安全标准探讨

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（1.惠州出入境检验检疫局 广东惠州 516006；2.江门出入境检验检疫局）

分析了锂电池检测的安全并进行了分级；对比分析了目前常用的国内外锂电池安全标准，着重分析了新国标GB31241的重点项目，并就实际检测中遇到的问题进行了探讨。

电池检测；安全分级；安全标准

1 前言

过去20多年，可充电锂电池技术迅猛发展，并以其卓越的性能已经成为现代生活中必不可缺的部分。但是，随着其应用范围的逐渐扩大以及单个电池的体积能量密度越来越高，容量越来越大，发生的爆炸事故越来越多，其安全性能越来越受到人们的关注。近年来，针对锂电池安全的检测手段越来越成熟，国际和国内都相继推出了多个安全性测试标准，如日本JIS C8714的强制内部短路试验，IEC的上下限温度测试试验等，我国也已经制订出新的锂电池强制标准。本文分析了锂电池检测的安全并进行了分级，对比分析了国内外锂电池检测安全标准，并对新国标的检测方法进行了探讨。

2 锂电池检测的安全及危险分级

2.1安全

锂电池的安全性不仅指在各种测试条件下不出现起火、爆炸等现象，最为重要的是要确保使用者在电池滥用的条件下不受到伤害。锂电池标准中，如IEC 62133和GB/T 28164，对锂电池试验结果的各种现象都有明确的定义，如泄露、泄气、破裂、爆炸、起火等。

锂电池在使用过程中，不断通过化学反应，产生定向流动的电子从而提供持续能量，在其化学反应中会伴随着热量的产生。如果热量不能及时扩散，会导致热失控，热失控会使电池发生毁坏，如猛烈的泄气、破裂并伴随着火。锂电池出现热失控的原因有如下几种［1］：

（1）隔离锂离子电池负极和正极的隔膜出现撕裂会导致短路，而短路往往又会引起热崩溃；

（2）环境温度过高导致化学不稳定；（3）其他滥用操作等。

2.2危险分级

根据联合国《关于危险货物运输的建议书》对危险品的分类规则，内含强酸性或强碱性电解液的电池产品为第8类（腐蚀性）危险品，锂电池则为第9（杂项）危险品。电池产品安全检测项目分为：

（1）预期的环境条件或使用：高空模拟、温度循环、振动、低倍率充电等；

（2）可合理预见的误使用：外部短路、重物冲击、挤压、机械冲击、自由跌落、强制放电、非正常充电、热滥用、不正确的安装、过放电、过充电、高倍率充电等［2］。

评估锂电池检测的安全等级，首先要对各种危险现象进行分级，主要依据各种危险发生的可能性以及此危险发生后的结果。电池的危险主要分为：化学危险、电气危险、累积的化学和电气危险、高压危险（＞60 V）、电池失效的危险等。化学危险是指溢出电解质或析出化学气体；电气危险是指充放电过程中产生的电气危害；累积的化学和电气危险主要是指可能产生着火、惰性或有害气体产生、溅射物，其根本原因就是热失控。

对于锂电池产品的检测，其现象主要包括以下可能：质量是否损失；是否有泄漏、泄气、短路、破裂等情况；是否会产生爆炸或火灾等。依据以上现象，参考EUCAR（European Council for Automotive R&D）界定汽车应用中的危险等级，对锂电池检测结果的各种危险进行分级［3］，见表1。

表1中危险等级1-4通常被认为是安全的。

表1　锂电池检测结果危险等级分级表

3 锂电池安全标准介绍

3.1常用国家标准、国际标准和区域标准

锂电池安全标准是指确定一些关键安全项目并规定相应的测试方法来确认锂电池是否具有足够的安全性。许多国家和国际组织都已制定了锂电池产品的安全标准，目前采用较多的国家标准、国际标准和区域标准有：

（1）中国国家标准：GB31241［4］，GB/T18287［5］；

（2）IEC标准：IEC62133Edition2.0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 batteries made from them，for use in portable applications）［6］；

（3）UN标准：UN38.3［7］；

（4）JIS标准：JIS C8714［8］；

（5）UL标准：UL1642Ed4锂电池（Lithium Batteries）［9］；UL2054Ed2民用和商用电池（Household and Commercial Batteries）［10］。

3.2安全测试项目

上述标准都有与电池滥用相关的安全测试项目，表2为不同标准测试项目对比表。需要指出的是，名称相同或类似的测试工序并不一定完全按照同样方法进行检测，例如测试前的充电状态或者样品数量等。

表2　锂电池安全检测标准项目对比表

从表2可以看出，不同标准对电池的检测各有侧重，例如：IEC62133和JIS C8714要求侧重于产品使用安全和环境适应性安全；UL2054和UL1642则全面考察电芯和电池在各种使用环境下，包括故障条件、重压条件和燃烧条件下的安全性；GB31241在GB/T18287基础上更加强调锂电池或锂电池组的安全性；GB/T18287不仅包含了部分安全检测项目，还涵盖了性能测试。

上述标准中多数安全测试项目的目的是验证锂电池在电气机械类应力或其他环境条件下的安全性，主要分为两个类型：一是可合理预见的误使用，主要是对锂电池的稳定性进行测试，包括温度滥用试验、机械滥用试验、电气类滥用试验等。例如温度滥用测试，温度通常设置在锂电池电解液最活跃的130℃-150℃范围内，暴露时间10-60 min。二是预期的环境条件或使用，主要是验证电池的稳定性与其应用环境的兼容性。此类测试的关注点主要是锂电池在环境条件下的应力反应，例如模拟汽车运输过程中的振动试验。除了个别项目，上述标准中的测试项目大部分都与滥用试验有关。

4 GB31241-2014标准探讨

4.1适用范围

GB31241-2014作为国内第一个锂电池安全标准，将于2015年8月强制实施，适用于“便携式电子产品”用的锂离子电池。电子产品主要包括以下4种：音视频设备、信息技术设备、通信技术设备和测量控制设备。IEC62133的中则规定是“便携式设备”的锂离子电池，便携式设备主要包括：便携式电子设备、便携式电动工具、便携式家电等。而UL1642标准适用于对含有锂金属的电池。

4.2新增安全测试项目

GB31241标准遵循IEC安全导则104的规定，积极参考借鉴如UN、IEC、UL等多项国外电池标准中成熟的安全测试项目，充分考虑影响锂离子电池安全性的因素，并且考虑到我国用户的使用习惯［11］。在与运输相关的试验条件和试验顺序上，尽量与IEC62281和UN38.3相同。对于部分安全项目，进行了修改完善，如热滥用、外部短路、跌落、过充电等项目。标准还补充了保护电路、标识耐久性等要求，特别是针对电池组的保护电路首次提出了相应的安全要求和具体测试方法。该标准还充分针对我国用户的使用习惯，增加了洗涤等安全测试项目，它是目前国内外对于便携式锂离子电池最为全面的安全标准。

GB31241标准主要针对锂离子电池芯、电池组规定了在正常使用、合理可预见的误用和滥用条件下的电安全、环境安全、机械安全的要求和测试方法。根据测试指标，电池组的测试项目中除了包含常规的一般安全要求（安全工作参数、标识要求、警示说明、耐久性），还包括对电池组环境试验、电池组电安全试验、电池组保护电路安全测试要求、系统保护电路安全要求等30多项测试。

通过表2与其他标准的对比，GB31241相对于IEC62133和UL1642标准，新增加的项目主要是洗涤、静电测试、保护电路等。

4.2.1洗涤

洗涤主要是针对我国用户习惯，因洗衣机误洗电池而制定的洗涤安全要求，此试验项目属于滥用试验。该项目为各类电池标准中首次涉及，通过此项目验证各类手持或便携类锂电池在洗涤之后是否能继续使用，如有“电池浸水后禁止使用！”警示说明，可免做此项。

4.2.2静电

静电测试于2013版GB/T18287第一次被采用，相对于IEC62133和UL1642标准，GB31241继续采纳此项目。静电测试主要是检测电池保护板是否能经受住静电的检验。电池不接地线，被测电池不能如I类电气设备自行放电；若在下一个静电放电脉冲施加前电荷未消除，被测电池上的电荷累积可能使电压为预期试验电压的两倍；经过几次静电放电累积，被测物可能充电至异常高，然后以高能量在绝缘击穿电压处放电。为模拟单次静电放电（气隙放电或接触放电），在施加每个静电放电脉冲之前应消除被测电池上的电荷。

4.2.3保护电路

保护电路主要采用熔断器作为过流保护器件，可保护锂离子充电电池在充电或放电过程中的大电流及短路而造成电池的损害。新国标GB31241-2014中电池组电安全试验、电池组保护电路安全要求和系统保护电路安全等电气安全试验都涉及到保护电路的检测。图1为电池组做高压充电保护280次的试验图谱；图2为耐高压试验中电池保护板被击穿，失去作用，锂电池过充的图片。

从图2上可以看出，进行此类试验，当保护板失去保护功能时，电池有爆炸的危险，因此应于防爆试验环境下进行此类试验。

图1　锂电池高压充电保护试验图谱

图2　锂电池耐高压试验保护板被击穿过充图

5 结论

通过分析锂电池检测中的各种危险现象，将锂电池检测的安全分成8个等级，能更具体地划分出锂电池试验的安全性或危险性。对比分析国内外锂电池安全标准的侧重点，着重探讨GB31241中洗涤、静电测试、保护电路等新项目，及实际检测中应注意的要点，可为生产企业、检测机构提供相关的检测经验。GB31241标准的实施，检测中会发现不同的问题点，只有解决这些问题，才能保证锂电池检测的安全。

［1］Studies of Gas and Heat Generation in Lithium-ion Cells during Thermal Abuse，Sandia National Laboratories，Power SourcesTechnologyGroup，Albuquerque，NM87185USA HBC 2003.

［2］杜飞，戴雪伟，甘红胜，等.电池检测安全性系统研究［J］.检验检疫学刊，2012，3：1-3.

［3］Levy S C，Bro P.Battery Hazards and Accident Prevention Plenum Press［M］.New York and London，ISBN 0-306-44758-4（1994）.

［4］GB 31241-2014便携式电子产品用锂离子电池和电池组安全要求［S］.

［5］GB/T 18287-2013移动电话用锂离子蓄电池及蓄电池组总规范［S］.

［6］IEC 62133：2012 Secondary cells and batteries containing alkaline or other non-acid electrolytes-Mechanical tests for sealed portable secondary cells and batteries［S］.

［7］United Nations.Recommendations on the Transport of Dangerous Goods-Model Regulations［M］.18th ed.New York：United Nations Publications，2013，185-295.

［8］JIS C 8714 Safety tests for portable Lithium Ion secondary cells and batteries for use in portable electronic applications［S］.

［9］UL1642 REV.5.Standard for Lithium Batteries［S］.

［10］UL 2580-2011 Batteries for use in electric vehicles［S］.

［11］何鹏林，郭子绮，孙建波.锂离子电池安全标准GB31241-2014浅析［J］.中国标准导报，2015，3：26-29.

Safety Classification of Lithium Battery Detection and Discussion of Lithium Battery Safety Standards

Zhao Haibo1，Ji Fang2，Xu Wenyan1，Ye Changqing1，Jiang Chunbao1
（1.Huizhou Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau，Huizhou，Guangdong，516006；2.Jiangmen Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau）

The safety and classification of detecting lithium battery is analyzed and classified.The safety standards at home and abroad are compared.The important items of GB31241 and the problems of actual detection are explored.

Battery Detection；Safety Classification；Safety Standard

TM912.9

E-mail：56086240@qq.com

国家质检总局科技计划项目（2015IK73）

2015-07-06