锂电池自然贮存可靠性研究

李坤兰，王朋，李劲

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广州 511370；2. 752 厂，武汉 430000）

前言

随着设备小型化的发展，对电池提出了更高的要求。而锂电池以自放电率极低、放电电压十分平缓，使得锂电池进入了大规模使用阶段。

锂电池广泛应用于手机、笔记本电脑、电动工具、电动车、路灯备用电源、航灯、家用小电器上，同时，在军事装备及工业领域也有广泛的应用，包括军用电子设备、导弹、水中兵器、无人机、声纳及各类雷、弹的电源等。尤其适合于对电压平台和电压精度要求高、长储后使用及高寒地区（-40 ℃以下）等需要高脉冲电流的设备中使用[1]。

电池作为设备能源的来源，对于设备至关重要。因此研究电池的可靠性也是非常重要的。现阶段处于和平时期，设备将在一段时期内处于贮存状态，因此电池的贮存可靠性就显得更为重要。高贮存可靠性的电池，是设备工作及安全的保障。因此，很有必要研究电池的贮存可靠性。

1 锂电池的自然贮存试验

8 个型号的锂电池共320 只样品在广州开展了为期7年的自然环境下无替换的长期贮存试验。跟踪监测的性能参数有开路电压、负荷电压、滞后时间等。试验中，每次检测样品时，对所有样品的开路电压都需进行监测。取出8 只样品对其进行负荷电压、滞后时间等的监测，测试完成后，这8 只样品不参加后续试验，依次类推，直至第4 年。剩余的样品在第7 年进行性能监测。参加贮存试验的锂电池试验样品详情见表1。

表1 锂电池长期贮存试验样品一览表

2 贮存失效模式研究

贮存失效模式是指产品贮存失效的表现形式。研究贮存失效模式目的在于通过分析当前和以往过程的失效模式数据，以防止这些失效模式将来再发生。从而针对设计上可靠性的弱点，提出对策；改进产品的质量、可靠性与安全性等。

2.1 从贮存的各个测试时间点上分析

从贮存的各个测试时间点上来看，贮存84 个月期间，各个测试时间点出现了开压偏低、无电压这两种失效模型，见表2。

表2 贮存84 个月期间各测试点的失效情况

由表2 可知，锂电池的主要贮存失效模式有开压偏低、无电压两种失效模式。其中开压偏低的失效模式比无电压的失效模式更为普遍。

2.2 从贮存的型号上分析

分析研究了8 个型号锂电池在84 个月的贮存试验期间的不同失效模式及其失效样品数，结果见表3。

表3 锂电池不同贮存失效模式详情表（单位：只）

由表3 可知，锂电池的主要贮存失效模式有开压偏低、无电压两种失效模式。其中开压偏低的失效模式比无电压的失效模式更为普遍。

综上所述，锂电池的主要贮存失效模式有开压偏低、无电压两种失效模式。

3 累积失效样品数变化趋势研究

对贮存84 个月的贮存测试数据进行了整理、分析、研究，并将失效样品数随贮存时间的变化趋势作图如图1 。

图1 失效样品数随贮存时间的变化趋势

由图1 可知，除ER48-Z 贮存84 个月后未出现失效样品，其余7 个型号均有失效样品，其中，ER13-Q、ER12-R、ER28-J、WR34-P、ER14-Y 等5 个型号的锂电池在48 个月的贮存期间，未出现失效样品，且均在贮存48 个月后，失效样品数剧增。由此可见，这8 个型号的锂电池中，贮存可靠性最好的是ER48-Z。ER13-Q、ER12-R、ER28-J、WR34-P、ER14-Y 等5 个型号的锂电池贮存寿命是48 个月；型号为ER48-Z 的锂电池的贮存寿命超过84 个月，能够满足设备长寿命的需求。

4 贮存寿命表征参数研究

影响产品贮存寿命的性能参数称为贮存寿命表征参数。贮存寿命是产品满足规定要求的时间长度。产品的参数有质量特性参数、动态特性参数、可靠性参数等，但主要是产品的性能参数，这类参数通常较多。贮存寿命表征参数是贮存过程中会发生变化的性能参数。性能参数的变化蕴含了产品的寿命特征。因此研究产品的贮存寿命表征参数意义重大[2]。

通过分析研究贮存试验期间参数超差的失效样品的测试数据以及性能参数的退化率，可得出各种电容器的贮存敏感参数，见表4。

表4 开路电压和负荷电压的退化率研究

由表4 可知，这8 个型号的锂电池均有负荷电压的退化率比开路电压的要大。退化得最快的是ER17-W，达到了0.5143；退化得最慢的ER12-R，只有0.0757。因此，锂电池的寿命特征参数是负荷电压。从退化率的角度来说，性能最好的是型号为ER12-R 的锂电池，最差的是型号为ER17-W 的锂电池。在要求放电平稳的场合，尽量选用型号为ER12-R 的锂电池。

5 贮存可靠性研究

贮存可靠性是产品在规定的贮存条件下和规定的贮存时间内，保持规定功能的能力。其概率度量为贮存可靠度。

可靠性指标有可靠度（R）、失效率（λ）等，其计算公式如下。

1）贮存可靠度计算公式为[3]：

式中：

n—每型号元器件储存试验的参试数；

r—失效的元器件数。

2）失效率的计算公式为[4]：

式中：

f—每一型号元器件贮存试验期间的累积失效样品数；

t—总试验时间。

若在贮存试验中未出现失效样品时，其失效率的计算公式为：

式中：

0.916 —置信度为60 %、自由度为2 时的x2值；

t—总试验时间。

8 个型号锂电池试验样品的贮存可靠度、失效率的计算结果见表5。

表5 锂电池贮存可靠性一缆表（时间单位：月）

由表5 可知，贮存48 个月时，有6 个型号的锂电池的可靠度为1，能够满足工程的需要。贮存84 个月后，型号为ER48-Z 的锂电池的可靠度仍为1，另外还有ER12-R、ER13-Q、WR34-P 等3 种锂电池的可靠度大于0.9，说明这些锂电池的可靠度都很高。

6 结论

1）锂电池的主要贮存失效模式有开压偏低、无电压两种失效模式。其中开压偏低的失效模式比无电压的失效模式更为普遍。

2）ER13-Q、ER12-R、ER28-J、WR34-P、ER14-Y等5 个型号的锂电池贮存寿命是48 个月。

3）这8 个型号的锂电池中，贮存可靠性最好的是ER48-Z。

4）型号为ER48-Z 的锂电池的贮存寿命超过84 个月，能够满足设备长寿命的需求。

5）锂电池的寿命特征参数是负荷电压。

6）从退化率的角度来说，性能最好的是型号为ER12-R 的锂电池，最差的是型号为ER17-W 的锂电池。在要求放电平稳的场合，尽量选用型号为ER12-R 的锂电池。

7）贮存84 个月后，型号为ER48-Z 的锂电池的可靠度仍为1，另外还有ER12-R、ER13-Q、WR34-P 等3种锂电池的可靠度大于0.9，说明这些锂电池的可靠度都很高。