动力锂电池针刺测试分析

动力锂电池针刺测试分析

曹文成

（天津中聚新能源科技有限公司，天津300000）

摘要：该文详细描述了国标规定的测试方法，以及待测电池、测试器具的要求，通过对国家标准由来的分析，对比国外的参考标准，明确了针刺测试的目的；通过对测试方法的剖析，对比同类型测试标准，从材料体系到结构设计两方面着手，分析各主要材料以及结构设计对测试通过的影响，为提高测试通过率提供改善思路。

关键词：针刺试验；测试标准；通过率；强制内部短路

1.针刺试验是测试电池的什么性能

针对二次（可重复充电）电池，包含单芯、两个或两个以上多芯串/并联结构的电池组针刺的目的就是强制内短路，属于安规测试，是在模拟突发情况下出现的极端表现，可用于衡量产品安全性能的指标，要求不起火不爆炸。最终目的是降低锂电池在用于产品时着火或爆炸的危险，使这些电池能够满足所应用的完整产品应需符合的要求。

1.1GB测试方法。

GB/T31485-2015《电动汽车用动力蓄电池安全及试验方法》内规定如下：单体蓄电池按照标准方法充电；用φ5mm~φ8mm的耐高温钢针（针尖的圆锥角度45°~60°，针的表面光洁、无锈蚀、氧化层及油污），以（25±5）mm/s的速度，从垂直于蓄电池极板的方向贯穿，贯穿位置宜靠近所刺面的几何中心，钢针停留在蓄电池中，观察1h。

1.2GB标准由来。

国外动力电池针刺标准主要来源于SAEJ2464《ElectricVehicleBatteryAbuseTesting》及UL-2580(参考电池安全测试(一))，两个标准都有针刺测试要求。FreedomCAR虽然不是标准法规，但是作为比较流行的测试参考方法，广泛被引用。根据以上标准内容分析我国标准主要是引用美国汽车工程师学会标准，与国外保持一致，保证测试标准的先进性的同时保证与世界接轨。

1.3GB标准变更。

日前，工信部发布了三项强制标准征求意见稿的通知，其中一项是关于GB《电动汽车用锂离子动力蓄电池安全要求》，在这个意见稿里面，除了取消模块级别的所有测试，关于针刺的要求也发生了较大的变化。单体电池的要求，过放、过充、短路、加热、温度循环、挤压，一共五项安全测试，跟GB/T31485-2015的10项测试要求相比，减少了4项。其中，单体电池的针刺要求也在GB里面取消了。

1.4如何提高通过率。

对于锂离子电池安全试验而言，针刺实验往往是最令人头疼的，整个电池的能量都会通过这个短路点在短时间内释放（最多会有70%的能量在60s内释放），会导致短路点的温度在短时间内急剧上升，继而引发连锁反应，导致热失控。

1.4.1材料体系

1、隔膜。

隔膜在锂离子电池中主要用于分隔电池的正负极，防止两极接触发生短路。隔膜的闭孔温度和破膜温度对于电池能否通过针刺项目具有决定性作用，我们要尽量控制电池隔膜保有较低的闭孔温度和较高的破膜温度。发展PE和PP的复合膜及陶瓷隔膜都是隔膜发展的趋势和方向。

2、电解液。

锂离子电池所用的电解液为导电锂盐和有机溶剂的组合物，这些有机溶剂的闪点都较低，使得锂离子电池中的电解液在接触空气后受热时极易燃烧，阻燃添加剂的添加可以提高电池自身的稳定性和安全性，是一种提高针刺通过率的有效方法。目前研究最深使用最广的为有机磷系阻燃添加剂。

3、导电剂与黏结剂。

针刺短路后，导电剂、黏结剂与电解液反应剧烈，释放出大量热量，目前采用DSC方法，根据分解的起始温度和反应热选择导电剂与黏结剂类型，减少高温产热是一种有效方法。

1.4.2结构设计。

制造电池时，可以考虑适当增加正负极之间的间隙，提升隔膜的延展性，同时在电池顶端的盖板上增加防爆阀，防止爆炸和电解液的大量泄漏，提升电池通过针刺的概率。

1.4.3测试钢针的影响。

针刺实验会导致这些电池单元发生短路，而短路的电池单元的数量与针刺穿过的电池极片数量有关。当只有两片电极发生短路时，不仅该电池单元会发生短路，更为严重的是与之并联的其他电池单元也会通过该短路点发生短路，也就是说整个电池的电量都会经过该短路点，产生大量的热量。从锂离子电池的这一结构特点我们不难看出，在一定范围内电池容量越大，短路点越小则产生的后果越严重，也就是说在针刺实验采用的针直径越小、针刺速度越慢则热失控的风险也就越大。

2.其它内部短路测试方法

为了模拟电芯在制造过程中可能进入的金属粉尘、碎料颗粒等杂质，在正负极间刺穿隔膜造成内部短路时的潜在危险程度，JISC8714标准给出明确测试方法：

将已充电的电池电极体，在周围温度20±5℃，露点-25℃以下的环境下分解，从电池外壳取出来之后，把小镍片（高0.2mm*宽0.1mm，四边1mm的L字形），插入正极活物质和负极活物质之间。插入后，返回到插入前的电极体配置关系，插入电解液蒸汽不能透气的柔软袋子里，封起开口部。从分解到封起开口部在30分钟以内。把单电池的电极体袋子在最高测试温度和最低测试温度下存放45±15min，将卷芯从袋子里取出，立即将压力装置接触卷芯使用加压治具，开始给电极体小镍片插入部的中心外加压力。用0.1mm/s的速度让加压治具下降，单电池电极体的电压随时测定（电压测定间隔是100point/s以上），加压到短路为止（当检测出比初期电压下降50mV以上时，则为短路）。看到短路时停止下降加压治具，30秒后放开加压。看不到短路的情况下的加压力的上限，圆柱形的是800N，角形的是400N，当各自的加压力达到时，放开加压，判定标准为不起火。

强制内部短路测试项目为JISC8714标准特有，其它锂电池标准中均无此项目。其对测试环境及测试操作要求都比较高，对电芯的设计要求也较高。

作者简介：曹文成（1983年－），男，黑龙江人，助理工程师，本科学历。