锂离子电池热滥用试验方法分析与应用

2022-02-03李裕林黄广斌

中国新技术新产品 2022年20期

李惠李裕林黄广斌

（广东省通讯终端产品质量监督检验中心，广东河源 517001）

0 引言

锂电池是一类以锂金属或锂合金等含有锂元素的材料为负极材料、使用非水电解质溶液的电池，是现代高性能电池的代表。现今锂离子电池已经成为可充电电池的主流，并大幅度地运用于手机、笔记本电脑、家用电器等数码产品中，在电动工具、电动汽车、无人机等大型设备中也广泛应用。锂离子电池在出厂之前需要经过各种各样的测试以保证产品的质量，其中就包括热滥用测试。热滥用试验是作为检验锂离子电池过热安全性能非常必要和有效的试验项目。如何准确做好热滥用试验项目，将对锂离子电池的质量起到重要的保障作用。

热滥用试验时，锂离子电池样品放置的方式不同会对样品不同表面受热是否均匀产生影响，进而影响热滥用试验的准确性。该文将对锂离子电池在同一试验条件下不同的样品放置方式进行试验，并将放置方式给热滥用试验项目受热均匀性造成的影响进行比对分析。

1 热滥用试验项目研究现状

现有的国内外锂离子电池标准中，热滥用的试验方法基本都是“恒温箱以既定速率升温至既定高温，并在该温度下保持一段时间”。该试验方法中的保持时间是从恒温箱的温度达到既定高温后开始计时。

通常，在热滥用测试中，需要将电池在预设温度（通常为130℃）的环境中放置30min，进而检测电池在该种极限温度下的耐热性能。为了精确达到这一测试环境，需要将电池放置于封闭的电热箱中，并由电热箱控制加热温度和加热速度。

目前现行的标准中对锂离子电池的热滥用试验的试验条件要求不尽一致，尤其是升温速率、试验温度和温度保持时间有较大差异，见表1。

从表1 中的测试条件可以看出，升温速率、温度和保持时间是试验设备影响测试的三个重要因素，对此要求用于电池热滥用试验的温箱对这3 项参数可调，同时温箱需要经过定期校准或核查，不仅要校准或核查的温度范围要覆盖热滥用测试所需温度值，而且需要对温箱的升温速率和保持时间进行校准或核查，这样才能使影响电池热滥用试验的设备因素降至最低，并提高试验结果的一致性。

表1 各标准中热滥用试验条件

虽然各标准中热滥用试验项目的试验参数并不一致，但其判定要求却是一致的（要求试验过程中电池应不起火、不爆炸）。热滥用项目的目的就是为了考核锂离子电池在一定温度下的热稳定性。如果锂离子电池使用了质量较差的隔膜、电解液等原材料，则在一定的温度条件下容易使锂离子电池的隔膜在该温度条件下发生融化、破裂。甚至由于锂离子电池内部发生了不可逆转的化学反应，产生了大量热量，因此导致电池温度不断升高，进而引发该锂离子电池起火、爆炸等安全问题。热滥用测试时，热源除了来源于电池内部正负极材料及其与电解液的反应以外，隔离膜在高温下熔化收缩导致正负极短路，短路产生的焦耳热也是热滥用试验时的重要热源。因此，在保证设备满足项目各项参数要求的同时，还需要考虑锂离子电池在热滥用测试中的热量传导特性，尽量给电池样品提供一个均匀的热量传导环境，减少因热量传导不均给试验带来的不良影响。

2 辅助材料热传导性

不同材料的热导效应和热传递能力不同，国际上将材料的热传导性能用导热系数表示。导热系数是指在一定的温度下，单位时间内通过该材料的单位横截面的热量。在稳定传热条件下，1m 厚的材料，两侧表面的温差为1K，在1h 内，通过1m2截面积所传递的热量是W，单位是W/（m·K）。除非有其他温度标注，通常给出的材料的导热系数都是指材料在室温25°C（298K）条件下测定的导热系数。

绝缘导热材料的热传导系数与散热器的基本一致，它的单位为W/m·K，即截面积为1m2的柱体沿轴向1m 距离的温差为1K（1K=1℃）时的热传导功率。数值越大，表明该材料的热传递速度越快，导热性能越好。各类型材料的导热系数见表2。

表2 各类型材料的导热系数

各种物质的导热系数相差很大，其根本原因在于不同物质的导热机理存在差异。一般而言，金属的导热系数最大，非金属和液体次之，空气体的导热系数相对较低。导热系数越大，说明其导热效果越好，导热速率越快。当在电池热滥用试验中需要使用辅助材料进行承载或固定时，为使试验样品更好地从空气中传导热量，并考虑材料的易获取性，应优先考虑使用金属类辅助材料进行承载或固定，如钢材、铝或铁。由于金属具有导电性，在使用金属类辅助材料进行承载或固定时还应注意避开电池的正负极耳，以免因电池正负极导通发生短路而影响热滥用的试验结果。

3 试验样品不同放置方式比对

锂离子电池的热稳定性取决于其内部各部分之间发生的化学反应产生的热量，化学反应迅速、彻底，其释放的热量将最大化，如果化学反应不彻底、缓慢，那其释放的热量会被稀释，不能如实反应锂离子电池的热稳定性。当锂离子电池上下两面受热不均衡时，电池内部的反应会从高温区慢慢传递至低温区，导致电池内部电解液等的化学反应缓慢、不彻底，化学反应释放的热量未到达最大化，不能准确检测出锂离子电池实际的热稳定性。

进行热滥用试验时，放置电池试验样品的承载物质由于和空气的热传导系数不同，其导热速率也不尽相同，下面就不同的承载物质对热滥用试验的影响进行比对分析。

3.1 平躺金属板

金属的导热系数比较大，是空气的2000 多倍。按标准要求将预处理完的锂离子电池以最大面平躺放在金属板上，电池上表面与下表面的温度变化情况如图1 所示。

图1 中，深色曲线为金属板侧电池温度曲线，浅色曲线为空气侧电池温度曲线。将试验样品以平躺于金属板的方式放置，当样品刚放进温箱中，电池靠近金属板面温度变化受金属板导热性较好的因素的影响，温度曲线出现一次震荡。当电池放置于金属板时，金属板的温度迅速下跌，再迅速回升。这主要是因为当电池放置于金属板时，金属板的热量快速传递到了电池表面上，所以此时金属板的温度迅速下跌。当金属板的温度出现下降时，金属板需要吸收更多的热量来平衡金属板与空气的温差，所以此时金属板的温度又快速回升。由于金属板的导热性能远远优于空气导热性能，因此电池放置在金属板时，其电池接触面受到金属板的影响，温度快速上升，而空气接触面的温度上升就慢得多，以致电池的金属接触面和空气接触面出现加热的温差。而当温箱内部温度达到130℃时，金属板块会率先达到130℃，使电池接触面同步达到130℃高温。而此时，由于空气的导热性稍差，其电池接触面会比金属接触面晚些达到130℃高温。当电池自身发热量超过130℃时，电池会往外散热，由于金属板散热导热性优于空气，因此靠近开孔金属板侧的电池热量散失较快，电池内部的温度也下降较快，导致在热滥用试验中，电池的两个面加热或散热不均匀、不对称，进而影响了热滥用试验项目的准确性。

图1 温度变化图

3.2 平躺耐火绝缘材料板

耐火绝缘材料的导热系数并不高，但比空气导热系数高8 倍，所以其导热效果也比空气的导热效果好。按标准要求将预处理完的锂离子电池以最大面平躺放在耐火绝缘材料板上。当样品刚放进温箱中，由于耐火绝缘材料板比空气的导热性高8 倍，但不及金属材料的导热性，因此耐火绝缘材料侧的电池温度上升速度比空气侧的电池稍快，温度曲线发生震荡。随着温箱的持续加热，当温箱内部温度达到130℃时，耐火绝缘材料会比空气稍快些达到130℃，使电池接触面同步达到130℃高温。而此时，由于空气的导热性比耐火绝缘材料稍微差些，其电池接触面会比耐火绝缘材料接触面稍微慢些达到130℃。当电池自身发热量超过130℃时，电池会往外部散热，由于耐火绝缘材料导热性优于空气，因此靠近耐火绝缘材料侧的电池热量散失较快，电池内部的温度下降相对较快。导致在热滥用试验中，电池的两个面加热或散热也不均匀、不对称，进而影响了热滥用试验项目的准确性。

3.3 平躺开孔金属板

按标准将预处理完的锂离子电池以最大面平躺放在开孔金属板上。金属板的导热系数比空气大得多，但由于金属板开了较多的通风孔（如图2 所示），使金属板充满了空气，因此开孔金属板的综合导热系数就下降了。

图2 开孔金属板结构示意图

将样品平躺放置于开孔金属板进行热滥用试验。由于开孔金属板综合导热性能比无孔金属板低很多，但还是比空气高得多，在试验过程中它仍然能让电池迅速升温。当样品刚的温度上升速率均保持一致。当电池温度超过130℃时，由于电池各侧面均与空气接触，各面散热速率也均能保持一致，因此采用此方式进行热滥用试验能使试验的外在影响因素降到最低。

4 结论

锂离子电池热滥用试验除了受其本身的材料因素影响外，还会受环境温度的均衡性的影响。当进行锂离子电池热滥用试验时，电池加热或散热容易受周围环境以及样品放置的承载物的影响，不同承载物的导热系数不一样，对电池的加热速率也就不一样。如同一个型号的电池平躺放置在金属板上会比悬空放置受承载物的影响更大，导致试验样品加热或散热不均衡，进而影响热滥用试验的准确性。

通过上面4 种方法的分析可见，进行热滥用试验时，采用悬挂方式比其他3 种放置方式更能降低外在因素的影响，进而能获得更准确的试验结果。因此，进行锂离子电池热滥用试验项目时，需要选用恰当的方式放置电池样品。放进温箱中时，电池靠近开孔金属板的一面与对立面的温度上升的速度快一些。但由于开孔金属板充满空气，其电池温度上升速度比放置在无孔金属板时要慢一些。当电池自身发热量超过130℃时，电池往外散热。由于开孔金属板综合导热性能优于空气，因此靠近开孔金属板侧电池的热量散失较快，电池内部温度也下降较快，进而降低了电池两个表面散热不均衡的影响。