锂电池安全性的测试方案及保障策略浅析

锂电池安全性的测试方案及保障策略浅析

余仕禧

东莞新能源科技有限公司 广东东莞 523000

摘要：锂电池凭借自身优良性能，现阶段被广泛推广及应用开来，但与此同时，社会各界也更为关注它的总体安全性。因锂电池内有正负极材料及有机性质的电解液，在受热环境中化学反应往往比较强烈，致使失火爆炸安全事故发生，会造成严重的人员及财产损失。鉴于此，本文主要探讨锂电池产品安全性方面测试方案与其相关的保障策略，旨在为业内相关人士提供参考。

关键词：锂电池；安全性；测试方案；保障策略

前言

锂离子电池安全性，一般可以归结为几大失效模式，内短路，外短路，过充，环境温度对电池的热冲击等。无论是那种失效，都会产生剧烈的温升，然后超出锂电池的极限发生起火和爆炸！那么，为尽可能地保证此类电池实际使用时候的安全可靠性，则对锂电池产品安全性方面测试方案与其相关的保障策略开展综合分析较为必要。

1、锂电池发生爆炸诱因与其安全性各项影响因素

针对锂电池自身安全性方面影响因素详细如下：1）针对过充电因素方面：锂电池在充电过程中，分成两部分。第一步是满充前，这段过程有恒流充电到恒压充电组成，此充电过程发生的是可逆反应，充电电流由大到小，充电温升较低。第二部分是满充后继续充电，此过程为不可逆反应，同时电压抬高，内部发生严重的氧化反应，温度迅速提升，同时伴随严重的析锂问题，导致电池的热稳定性进一步降低，容易产生严重的安全性问题。2）针对热冲击因素方面：锂电池遭受热冲击情况下，电池呈较低导热速率，短时间内可经受住一定热冲击。热冲击之下呈过高温度，锂电池整个负极表面部位SEI膜快速分解，正/负极材料和电解液之间会有放热反应产生，进一步提升电池温度，超过电池的过热临界点时，对锂电池总体安全势必造成威胁[1]；3）针对短路、针刺、挤压因素方面：锂电池内部部发生短路，受挤压或针刺情况下，锂电池当中隔膜容易破裂，正负极相互接触，造成严重的内短路，短时间内锂电池当中流过较大电流，电池内温骤然提升，同时伴随剧烈反应产生，温升持续提升，诱发燃烧爆炸事故。

2、测试方案与其安全性保障策略

2.1 测试方案

1）针对短路与过充测试方面：锂电池完全充满电情况下，选取≤500mΩ电阻导线对正负极实施短路测试，了解锂电池整个表面部位温变情况，最高温度如果在140℃作用，则立即打开盖帽，确保锂电池不会发生燃烧爆炸情况即可完成测试；过充测试，则是用厂商推荐的电流将锂电池的电流充满，依照着3C过充要求开展试验测试。电池过充情况下，对电压增加之后趋于稳定、再增加这一过程予以密切观测，当电压增加到限定范围后，拉断电池高帽，电压降到0V，确保电池无着火爆炸情况出现即可完成测试[2]；2）针对挤压和针刺测试方面：把满电状态下电池直接放置于平面位置，借助油压缸施加13+1KN 挤压力，选取32mm 直径为钢棒平面给予电池挤压力，挤压压力呈最大数值后，挤压停止，确保电池无着火爆炸情况出现即可完成测试；满电电池放于平面上，选取3mm直径钢针直接沿着径向位置刺穿电池。确保电池无着火爆炸情况发生便可完成测试；3）针对自放电状态下测试方面：经24h自放电对锂电池内部荷电总体保持能力实施测试，以0.2C对电池放电到3.0V，处于恒流恒压条件下1C充电到4.2V，电流截止为10mA，停顿15min，1C放电到3.0V 之后，是放电容量C1现场测定。而后，处于恒流恒压对电池实施1C充电为4.2V，电流截止为100mA，停顿24h，对1C容量C2予以测定，C2/C1务必要＞99%；4）针对振动及内压测试方面：以0.2C 对锂电池直接放电到3.0V，再维持恒流恒压状态充电至4.2V，电流截止为10mA，停顿24h，设定0.8mm振幅，确保电池振动区间维持10HZ-55HZ，且保持着1HZ/min震动速率呈递减/递增变化趋势。待振动过后，锂电池总体电压变化维持0.02V范围，内阻＜5m范围即可完成测试；内压测试方面，恒流恒压状态下对锂电池实施充电为4.2V，电流截止为10mA，把锂电池直接放置于为 11.6Kpa气压低压箱环境中储存6h，确保锂电池无漏液、裂口、燃烧爆炸等情况出现即可；5）针对寿命测试方面：锂电池完成 0.2C 3.0V/支情况下，处于恒流恒压状态充电为4.2V，电流截止20MA，停顿1h，0.2C放电为3.0V，经由500次反复循环，确保容量超过初容量约80%。

2.2 保障策略

1）锂电池四大主材的安全性性能：锂电池的安全性设计，报告正极，负极，隔膜，电解液选择和设计。实践中需要重点考虑以下几个因素：电解液则需考虑较好的化学稳定特性、溶剂的介电常数，功能添加剂的选择，电导率，离子迁移数，PH值，氢氟酸含量，锂盐浓度等相关特性。同时，需要考虑正极材料，负极材料，隔膜，电解液的动力学，活化能等匹配性进行搭配。如三元材料中镍的氧化性高，颗粒小，动力学好，则电解液需要增加抗氧化添加剂，负极的选材需要考虑采用碳包覆好的高动力石墨想匹配，以免出现胀气，析锂等影响安全的问题。如此才可从原料方面着手，为锂电池整体提供安全保障

[3]；2）重视电芯安全方面的优化设计：电芯设计实践中，应当考虑到材料基本特性，将最为科学合理 化的一个结构模式明确下来，对电池结构应考虑增设安全阀、开关元件等一系列保护装置，以对锂电池起到一定安全防护方面的作用；电池四种内短路模式：正极-负极，正极-铜箔，铝箔-石墨，铝箔-铜箔，最容易引起热失控的短路模式为铝箔-石墨短路，因此，在结构的安全性设计上，电池的结构设计需要重点排查所有铝箔和石墨能接触的可能性，把可能接触的区域，全部采用绝缘胶纸进行隔断处理。3）规范生产过程：针对锂电池混料与其涂布作业、烘烤及压实处理、分切及卷绕作业等各道工序中，应当明确规范作业要求及流程标准等，对工艺手段予以持续改进优化，积极落实工艺控制相关工作，以为总体工艺提供质量及安全保障，促使产品差异性逐渐缩小：还需严格落实质量监控相关工作，确保及时发现并且消除各个缺陷部位，所存在的缺陷产品需及时排除。

3、小结

综上所述，锂电池广大生产企业，若想尽可能地维护产品的使用安全，则不仅要联系实际，科学设计并落实好锂电池产品安全性方面测试方案，且还应当重视原料的合理选用，对电芯总体结构安全方面实施优化设计，规范生产过程，如此才可尽最大可能地为锂电池总体设计生产与其使用提供安全保障，这对于锂电池广大生产企业今后实现蓬勃发展而言也起着重要的促进作用。

参考文献：

[1] 甘露雨,陈汝颂,潘弘毅,等.锂电池安全性多尺度研究策略:实验与模拟方法[J].储能科学与技术, 2022, 11(3):852-865.

[2] 刘洪永,颜晗,周其鼐,等.锂电池隔膜安全性能及测试方法研究进展与展望[J].消防科学与技术, 2023, 42(3):303-308.

[3] 李超强.工业锂电池安全性测试问题及规范[J].中国新技术新产品, 2021(13):146-148.