锂电池安全标准及安全要求总述

锂电池安全标准及安全要求总述:

以其卓越的性能迅速成为蓄电池领域的佼佼者，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，锂电池的安全性也越来越被人们所关注。近年来，针对锂电池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检测标准，如GB/T 18287、IEC/EN 62133、UL 1642、UL2054、JIS C8712、JIS C8714、K 62133等，另外，还有很多针对锂电池运输、在设备中使用时的安全标准，如UN 38.3、GB4943、IEC/EN 61960，IEC/EN 62281等，但是近年来随着锂电池的普及和容量的增大，还是屡屡发生锂离子电池爆炸伤人或因安全隐患召回产品等事件，各个国家都在纷纷研究新的锂电池安全技术，开展更适合当今锂电池的检测手段，如日本JIS C 8714的强制内部短路试验，IEC62133的上下限温度测试手段、锂电池正常使用和误用，滥用等测试手段，我们国家也从原GB/T18287-2000更新到GB/T18287-2013版本，并制定了《便携式电子产品用锂离子电池和电池组 安全要求》本标准规定了便携式电子产品用锂离子电池和电池组的安全要求，包括针对电池芯、电池组、保护电路等的环境安全、机械安全、电安全等项目的要求和试验方法，覆盖了锂离子电池在设计、生产、运输、使用以及回收等全部生命周期的安全要求。本文试图对各种锂电池检测标准作一个归纳，并对锂电池新的检测方法进行一些简单的探讨。

2.   锂电池安全标准

目前全世界许多的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：

IEC 62133 Edition 2.0 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）；

IEC 61960 Edition 2.0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）；

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

IEC 60086-4:2007 一次电池-第四部分：锂电池安全（Primary batteries – Part 4: Safety of lithium batteries）；

UL 1642 Ed 4 锂电池（Lithium Batteries）；

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

UN ST/SG/AC.10/11 Rev.5/Amend.2 Section 38.3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, Rev.5/Amend.2  Edition）；

GB/T 18287-2013 《移动电话用锂离子蓄电池及蓄电池组总规范》；

JIS C 8714:2007 《便携式电子设备用锂离子电池的单电池即电池组的安全试验；》

3.   锂电池检测方法

以上几个主要的锂电池标准分别从不同的角度考察了锂电池的安全性和电性能，现将分类如下：

从上表可以看出，目前锂电池的各种标准主要从三个角度考察锂电池的电性能及安全性能：1.产品使用安全性；2.环境适应性；3.电性能。不同标准对电池的检测各有侧重：IEC 61960主要侧重于锂电池的电性能测试；IEC 62133和日本JIS C 8714要求侧重于产品使用安全和环境适应性安全；GB/T 18287不仅包含了部分安全检测项目，还涵盖了性能测试；UL 2054和UL 1642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、燃烧条件下的安全性。

4.   新测试方法的探讨

随着锂电池技术的不断进步，各个国家都在研究开展适合当今锂电池的检测手段。如现执行的IEC 62133 Ed2中的上、下限试验温度、过充电试验和强制内部短路试验；日本JIS C 8714提出的强制内部短路试验等。有些试验项目是对过去检测项目的改进，有些则是全新的检测项目。我们就目前讨论比较多的几个测试项目和测试条件作些简单地探讨。

4.1 上、下限试验温度

上、下限试验温度表示电池可使用上限充电电压及最大充电电流时，电芯表面的最高温度和最低温度。上、下限试验温度是根据锂电池的材料特性制定出来的，IEC 62133 Ed2和JIS C 8714提出的上、下限试验温度分别是45℃和10℃，是根据目前市面上比较普遍的锂离子电池材料特性制定的，并不能代表所有的锂电池，JIS C 8714中提出，如果需要采用新的上、下限试验温度，则需要进行一定的试验并补充资料依据。其试验考察内容包括：正极材料的结构稳定性、电解液的结构稳定性等材料特性，需保证在新上限试验温度下的已充电电池的安全性，并且在新上限试验温度中加上5℃适用JIS C 8714 第5.1款的充电条件，且符合第5.2～5.5款的试验要求；基于负极材料的锂离子吸纳性、电解液的锂离子移动度等（与温度相应），需保证在新下限试验温度下的已充电电池的安全性，并且在新下限试验温度中加上-5℃适用5.1款的充电条件，且符合5.2～5.5款的试验要求。IEC 62133 Ed2中也有类似的要求。

4.2 强制内部短路试验

强制内部短路试验是由日本有关方面最先提出的。2004年，日本某公司生产的笔记本电脑用电池发生起火，有关方面在详细研究分析了电池起火的原因后，认为是由于在生产过程中锂电池内部混入了金属小微粒，小微粒刺穿正、负极之间的隔膜，导致了电池内部短路，从而造成电池起火。强制内部短路试验试图模拟这种金属微粒刺穿隔膜造成内部短路的情况，试验分别从两个位置考察内部短路：正极活性物质-负极活性物质之间；正极铝箔-负极活性物质。试验时首先在结露点低于-25℃的环境下将充满电的电芯分解，然后分别在上两个位置放置小镍片，卷回电池，放入密封的聚乙烯袋中，分别在上限（下限）试验温度加上（减去）5℃的条件下放置45min，然后分别在上、下限试验温度条件下，用标准加压工具以0.1mm/秒的速度对准放置镍片位置施加压力，直至观测到内部短路引起电压下降50mV或压力达到要求（圆形电池800N，方形电池400N）为止，压力保持30s后解除。要求电池在内部短路的情况下不起火、不爆炸。

强制内部短路试验受到了较多的争议，主要是电池在拆解的过程中破坏其电化学环境，虽然拆解过程要求在露点低于-25℃的环境下进行，但是仍不能完全保证电池维持原有状态，在包卷回去的电芯是否能有效模拟正常电池的内部短路仍然存在一定争议。

4.4 过充电试验

IEC 62133 Ed2中，对过充电试验提出了一些新的修改。第一版中对过充电试验的试验内容为：5个按标准放电后的电芯，用10V以上的电源充电，充电电流I_rec（制造商推荐值），达额定容量的250%，即充电时间是2.5 C₅/I_rec h，要求：无着火、无爆炸。在过去近十年的锂电池试验中，锂电芯的过充电试验都是比较难于通过的一个试验，主要是10V的充电电压要求过于严格。其实消费者所能接触到的电池一般都是带有PCB保护板的，PCB保护板通常带有限压保护电路，能有效防止电芯的过充电；再者，一般来说，250％充电时的电压一般达到5V左右，测试要求使用10V的施加电压，是为了确保测试的稳妥性。这次IEC 62133 Ed2中修改了针对电芯的过充电试验条件：按标准放电后的电芯，充电电流2.5I_rec（制造商推荐值），达额定容量的250%；另外还增加了对电池包的过充电试验，其试验内容为：标准放电后的电池，以2ItA恒流充电，充电电压不大于推荐充电器的最大充电电压。

5.     结束语

随着锂电池的应用越来越广泛，新的锂电池标准和试验条件将会不断被推出，特别是锂动力电池的研究和应用，对锂电池的安全性和环境适应性提出了更高、更复杂的要求，如何有效的模拟复杂环境下锂电池的使用特性，保证生产出的锂电池的安全性，都成为摆在锂电池测试工程师面前的问题。只有不断研究探索锂电池的电化学特性和使用环境特性，才能制定出更加符合当今锂电池的试验项目和检测条件。