固定式电子设备用锂离子电池首部国家标准解析

吕媛媛，田宏锦，李锦花

(1.中华人民共和国吴江海关国家动力及储能电池检测重点实验室，江苏 苏州 215200；2.中华人民共和国宁波海关技术中心，浙江 宁波 315048)

锂离子电池在发展进程中出现了一些安全问题，导致起火、爆炸的危险性标签无法摘除。为此，各国逐步推出和升级锂离子电池标准，加严产品性能管控，提高准入门槛[1-3]。

我国对锂离子电池的安全管控在国际上起到举足轻重的作用。为进一步完善国家现有锂离子电池标准体系，促进与国际标准的接轨，规范锂离子电池市场，2021年4月30日，国家市场监督管理总局和国家标准化管理委员会联合批准发布了强制性国家标准GB 40165-2021《固定式电子设备用锂离子电池和电池组 安全技术规范》[4]。该标准将于2022年5月1日开始实施。

本文作者简要概述现有锂离子电池强制性国家标准体系，对GB 40165-2021的适用范围、测试项目、判定依据以及与现行标准GB 31241-2014《便携式电子产品用锂离子电池和电池组 安全要求》[5]的差异等进行简要分析。

1 国家强制电池标准

目前，GB 40165-2021、GB 31241-2014和GB 38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》[6]等3项锂离子电池国家强制标准共同构成了锂离子电池强制国家标准体系。GB 40165-2021和GB 31241-2014针对各类电子设备用锂离子电池；GB 38031-2020针对车用电池，既包含锂离子电池，也包含镍氢等其他车用电池。

2 标准解读

2.1 适用范围

GB 40165-2021规定了固定式电子设备用锂离子电池和电池组的适用范围、术语定义、试验条件、安全要求和测试方法。明确指出：该标准适用于固定式电子设备用锂离子电池和电池组，指出固定式电子设备包括固定式信息技术(IT)设备、固定式音视频(AV)设备及类似设备；固定式通信技术(CT)设备、固定式测量控制和实验室电子设备及类似设备；不适用于不间断电源(UPS)、应急电源(EPS)等使用的锂离子电池和电池组。

GB 40165-2021给出了固定式电子设备的定义，即规定不可由使用人员经常携带的电子设备，包括不可携带使用的电子设备，超过18 kg的移动电子设备，以及在本标准范围内、但不属于GB 31241-2014规定的便携式电子产品的电子设备。即将电子设备分为两类：便携式可携带的和固定式的。若该方式无法区分，就以电子设备质量18 kg作为区分条件。在国际标准UN38.3：2019《联合国危险物品运输试验和标准手册》第3部分38.3款[7]中，大型锂离子电池组的质量界限为18 kg，大型锂离子电池单体的质量界限为500 g。从该角度分析，GB 40165-2021与国际标准保持一致。

2.2 标准分析

表1给出了GB 40165-2021和GB 31241-2014对电池和电池组的测试方法和技术要求。

表1 GB 40165-2021与GB 31241-2014的锂离子电池和电池组测试方法、技术要求

从表1可知，GB 40165-2021的测试项目和技术要求沿袭了GB 31241-2014的测试传统，参考了国际标准IEC 62619：2017《含碱性或其他非酸性电解质的蓄电池和蓄电池组 工业应用蓄电池和蓄电池组的安全性要求》[8]和UN38.3中部分项目的测试要求，安全性主要从预期使用、合理可预见误用或滥用以及故障条件等方面考虑。

2.2.1 测试环境条件

GB 40165-2021要求测试环境温度(20±5)℃、相对湿度不大于75%以及大气压力86～106 kPa，与GB 31241-2014的测试环境要求相同。

2.2.2 电池测试

GB 40165-2021电池测试分为电安全和环境安全两类，如表1所示，要求在进行测试前首先进行2次充放电预循环，同时容量达到标称容量方可。电安全测试分高温外部短路、过充电和强制放电，其中与GB 31241-2014不同的是，高温外部短路阻抗要求不高于30 mΩ，阻抗降低，意味着同一只电池需承受更高的短路电流；GB 40165-2021过充电要求对满电电池继续充电，考察承受高电压的能力，对电池正极结构的稳定性要求较高。此外，满电电池继续充电，负极表面Li+过多，会堆积成结晶，导致电池内部短路等。如1 mol LiCoO2正极材料中，最多只有0.55 mol Li+能够可逆地嵌脱，而少量过充电(电压达到4.4 V)就会威胁结构的热稳定性和整体循环性能，主要原因是结构相变、晶格失氧和电解液氧化分解。在低电压下，LiCoO2稳定的层状结构为Li+提供了良好的离子传输通道。要满足GB 40165-2021过充电测试的要求，正极材料应有优良的Li+可逆嵌脱能力，Li+传输通道的稳定性受离子嵌脱的影响较小。GB 31241-2014过充电要求以3倍的推荐充电电流充电至4.6 V(LiFePO4正极为5.0 V)，考察承受大电流的能力。充电电流较大时，Li+来不及嵌入晶格，聚集于材料表面，富余的Li+获得电子后，会在电极材料表面产生锂原子结晶，导致各类危险。要满足GB 31241-2014过充电测试的要求，负极材料应具备优良的Li+可逆嵌脱能力，将富余的Li+降低至最少，保证电极材料的结构稳定和电安全。强制放电要求差异不大。

GB 40165-2021环境安全测试中的低气压、温度循环、振动、加速度冲击、重物撞击/挤压等6项测试与GB 31241-2014一致，与国际标准UN38.3等也相同。GB 40165-2021的跌落测试与IEC 62619：2017一致，跌落方式与样品的质量有关，分为整体跌落、角跌落和边跌落，对产品的要求更为严苛。GB 40165-2021热滥用测试采用了国内外标准中常规的(130±2)℃，即锂离子电池内部隔膜的闭合温度，不同的是加热时间延长至1 h。

从锂离子电池的测试要求可以看出，固定式锂离子电池安全要求比便携式的更严苛，耐高电压的能力更强，对正负极材料的结构稳定性要求更高。

2.2.3 电池组测试

GB 40165-2021电池组测试分为环境安全和系统功能性安全两类，如表1所示，要求在测试前，先进行2次充放电预循环。标准还指出，对于大型电池组，可选用有监控电路的电池模板和机械固定框架进行测试。

电池组环境安全测试为温度循环、振动、加速度冲击和跌落，其中小型电池组的测试要求和判定条件与GB 31241-2014一致，大型锂离子电池组的测试要求和判定条件与UN38.3一致；跌落测试项目与IEC 62619：2017一致，跌落方式与样品的质量有关，分为整体跌落、角跌落和边跌落。

GB 40165-2021标准要求，固定式电子设备用锂离子电池组系统应设计电池管理单元(BMU)或电池管理系统(BMS)，确保电池和电池组在指定范围内工作，以识别电池和电池组的电压、温度和电流的异常状态，并进行控制。该标准第九章过压充电、过流充电、欠压放电、过载、短路、反向充电、过热以及静电放电等测试项目与GB 31241-2014相应的测试项目方法一致，但参数设定不同。这些功能性安全测试，除了检验自身承受大电流、过电压、低电压、反向充电、极限环境温度和静电干扰的能力外，还检验BMU或BMS识别并进行执行相关命令的能力，要求管理系统在锂离子电池到达所承受的极限值之前，执行保护命令，切断回路。

2.3 其他测试要求

从上述测试要求可知，GB 40165-2021对于锂离子电池和电池组，无论是从测试要求还是测试项目的严苛程度，均高于GB 31241-2014。考虑到有些固定式设备用锂离子电池组体型较大，内部串并联电池芯庞大，外部管理系统复杂，加之所使用设备的特殊性，GB 40165-2021标准约定，某一类电池或电池组因为产品的设计、结构、功能上的制约而明确对该产品的试验不适用时，可不进行该试验。如因受产品设计、构造或功能上的制约而无法对电池或电池组进行试验，但又必须实施时，可连同使用该电池组的电子设备及附属充电器或零部件，与电池或电池组一起进行试验。如果电池组系统可拆分为小的单元，单元可代替电池组系统进行试验，制造商可对单元添加最终电池组系统具有的功能。

3 结论

随着各类正极材料在高电压、高能量密度和高功率密度方面的发展，电子设备所用锂离子电池的种类越来越多，安全问题日益突出，安全检测难度增加。为此，各国逐步提升锂离子电池行业准入门槛，严苛社会监管和国家管控。

GB 40165-2021标准的颁布，填补了我国在固定式电子设备用锂离子电池安全标准领域的空白。从长远看，将有助于提升锂离子电池行业的准入门槛，打击不合规产品对正规锂离子电池产品市场的冲击。锂离子电池是一个能量体，标准检测合格与否只是外部表观现象，要想从根源解决电池安全问题，关键还是要从电池内部结构着手，优化电池设计，增加安全防控、传感器等，同时将安全测试标准和新技术相融合，以便在事故萌芽初期进行控制。