锂离子电池安全性能测试及其影响因素分析

锂离子电池安全性能测试及其影响因素分析

邢晓飞

北京新能源汽车股份有限公司(北京新能源汽车技术创新中心)北京市100000

摘要：现阶段，我国对锂离子电池的应用越来越多。锂离子电池的比能量大、比功率高、使用年限长、不易产生污染，现已在各个领域得到了有效应用，尤其在手机、电脑、电动车中的应用十分广泛，虽然为人们的生活提供了便利，但也存在很多安全隐患，在使用不当的情况下，会带来着火、爆炸等危险。在现代化社会的发展中，锂离子电池安全事故越来越多，严重威胁着人民群众的生命财产安全。基于此，本文对锂离子电池安全性能测试及其影响因素进行了研究。

关键词：锂离子电池；安全性能测试；影响因素

引言

锂离子电池具有比能量大、比功率高、电压平台高、自放电小、循环寿命长、环境污染小和无记忆效应等优点。其已经被广泛应用于手机、电脑、电动车、军事、空间技术等相关领域。然而，锂离子电池在给人类造福的同时，也带来了一些安全隐患。比如锂离子电池在滥用条件下(如过充电、过放电、短路、挤压、针刺、高温等)可能会发生着火、爆炸等危险。近年来，有关锂离子电池安全事故事件不断发生，从而给人们的人身财产安全带来了极大的威胁。锂电池安全性能仍旧是一个急需要解决的问题。单从锂电池本身来说，它是能量的载体，本身就存在着不安全因素，不同的电化学体系，不同的容量，生产工艺上的差异，以及使用方法是否规范等都会对电池的安全性能造成很大程度的影响。目前国内外有很多关于正负极材料、电解液、隔膜等因素对锂电池安全性能影响的研究，但关于电芯结构和电池外壳材质对锂电池安全性能影响的研究甚少。

1锂离子电池安全性测试

1.1针刺试验

单体针刺试验使用5mm～8mm的耐高温钢针(针尖的圆锥角度为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。此过程电池应不爆炸、不起火。模块针刺试验使用略粗的钢针，以同样的速度，从垂直于蓄电池极板的方向依次贯穿至少3个单体蓄电池(钢针停留在蓄电池中)，观察1h。此过程中电池模块应不爆炸、不起火。钢针刺穿电池隔膜后，电池正负极极片与钢针一起形成回路，造成电池内部短路，产生大量的热。当温度达到130℃时，一般的隔膜开始发生收缩、融化，造成更大面积的电池正负极接触，进一步形成内部短路现象。电池在满电态时，正负极都处于亚稳态，当温度超过180℃时，正负极都将与电解液发生强烈的放热反应并产生大量气体(包含大量可燃的有机气体与少量氧气)。当温度升高到240℃以上时，含氟黏结剂开始与嵌锂碳发生剧烈的链增长反应，放出大量热量。电解液中的线型碳酸脂的闪点较低，易产生明火。在多数情况下，钢针刺穿电池的洞容易在高温下喷射出可燃物，在空气中点燃形成喷火的现象。在做模块电池的针刺试验时，模块电池电压较高，针刺造成内短路时瞬时电流更大，更容易发生电池的热失控，发生起火、爆炸现象。

1.2短路试验

例如，在60Ah三元材料电池模块短路试验过程中，满电态模块电池电压是20.4V，短路器电阻是3mΩ，在实际测试时短路过程中的瞬时最低电流是3293A，电池持续放电电流是3000A，这时锂离子电池内部会产生大量的热能，电池温度不断升高，在高温作用下，电池内部会出现正负极材料、电解液的放热反应和产气反应。气化后电解液会与可燃气体一起撑破电池外壳扩散到空气中，高温会点燃闪点低的线型碳酸酯，引发电池起火问题，还会因短路出现电池外部起火现象。

1.3过充测试

当电压达到4.8V左右时，电池表面温度开始逐渐上升。卷绕型软包电池表面的最高温度为158℃，实验过程中电池先发生胀气鼓包，大约在25min左右起火燃烧。整个实验过程中叠片型软包电池仅发生胀气鼓包现象，最高温度为96℃。而18650型钢壳电池由于其自身的安全阀的作用，在电解液分解产生气体达到内部耐压极限时安全阀自动打开，使其自身温度下降，最高温度仅为70℃，没有发生明显的胀气和漏液现象。发生上述反应的机理在于电池过充电时正极上过多的锂离子会在电解液的作用下穿过隔膜运动到负极，当碳负极嵌锂不及，就会以金属锂的形式沉积在负极表面，极易形成树枝状锂枝晶，刺穿隔膜，造成电池内部短路。一旦电池发生内部短路难免会导致电池发热、鼓胀、燃烧甚至爆炸。卷绕型软包电池发生燃烧原因在于卷绕电芯中正负极片之间有很大的压紧度，过充过程中形成的锂枝晶更容易刺穿隔膜，从而导致短路的发生。

1.4挤压试验

单体挤压应采用半径75mm的半圆柱体(半圆柱体的长度大于被挤压电池的尺寸)，挤压方向垂直于蓄电池极板方向。以(5±1)mm/s的速度挤压电池到以下状况之一后停止:电压达到0V或变形量达到30%或挤压力达到200kN，观察1h。此工程中电池应不爆炸、不起火。模块挤压用的挤压板与单体挤压类似，挤压方向为与蓄电池模块在整车布局上最容易受到挤压的方向相同(如果最容易受到挤压的方向不可获得，则垂直于单体蓄电池排列方向施压)，以(5±1)mm/s的挤压蓄电池模块变形量达到30%或挤压力达到一定值时停止，保持10min，观察1h。

此过程中电池模块应不爆炸、不起火。

2锂离子电池安全性能的保护

（1）过充（电压、电流）保护。过充指的是使用超过充电上限电压、超过充电上限电流对锂离子电池进行充电的过程。锂离子电池，如聚合物锂离子电池、锂铁电池都应防止过充，在充电时间长的情况下，极易引发漏液、起火、爆炸等问题，其主要目的是检测保护板在电池充电过程中，因长时间过压和过流充电产生切断充电线路问题，并对其实行相应保护。（2）过放过压保护。锂离子电池的额定电压是3.7V，部分产品是3.6V，终止放电电压为2.5～2.75V，各个锂离子厂家的电压参数都有所不同。通常情况下，锂离子电池放电终止电压在2.5V以上，低于终止放电电压继续放电被称为过放，在过度放电的情况下电池寿命会缩短，严重情况下还会出现电池失效问题。过放过压保护的主要目的是检测保护板在锂电池使用过程中因未及时充电造成锂离子电池电压过低，而采取放电电路保护措施的情况。（3）放电过流保护。锂离子电视不适用于大电流放电，在电流放电过大的情况下，内部会出现高温损耗能量，使得放电时间缩短，在电池中无保护元件的情况下，会产生热量损坏电池，过流保护主要是为了避免锂离子电池放电过程中产生电流过大现象。

结束语

综上所述，锂离子动力电池因个体原因或在误用、滥用条件下会发生一系列的反应从而引起热失控，造成电池起火、爆炸。参数正确、步骤规范的检测标准是验证电池安全与否的重要手段。随着锂离子电池的应用范围在不断扩大，人们越来越重视电池的安全性能，这就需要相关人员深入分析锂离子电池安全性能的影响因素，如电极材料、电解液、外部因素等，并提出相应的优化措施，改善电池的结构设计，引进热稳定性高的电池材料，提高锂离子电池的安全性能。

参考文献

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