锂电池的安全性能测试及影响因素研究

冯文浩、 温洪超

力神动力电池系统有限公司 天津市 300384

摘要：近年来，我国政府大力倡导清洁能源的研究和发展工作，而锂电池作为清洁能源中颇具代表的能源储备器件，已被广泛应用在社会的多个领域中。锂电池在实际应用中，其电性能和安全性能将直接决定各类耗电工具的使用时间、动力强度以及安全系数。例如新能源汽车储能环节当中，汽车的实际续航里程以及动力水平取决于锂电池的储电能力，同时，锂电池的性能还关乎着汽车的使用寿命。锂电池属于化学储能，在使用寿命、充电技术、安全性能、比功率、能量密度、绿色环保等方面对比于铅酸电池，镍氢电池，镍镉电池等都具备着较为显著的优势。因此，越来越多的现代化企业正着手开展锂电池技术的研发工作，以期在未来经济发展当中能够占据一席之地。

关键词：锂电池；安全性能；测试；影响因素；措施

1锂电池性能

通常技术人员会对电池的性能进行全面了解，从而对其应用水平做出科学有效的评估。技术人员一般会从电池的充放电倍率、循环次数以及内阻三项参数信息来评判单体锂电池的性能指标。其次，在锂电池组中，电池的均衡性指标也决定电池组的使用性能。

锂电池的充放电倍率通常用字母‘C’来表示。充放电倍率决定着电池的充放电速度，在充电过程中，随着C值的增大，电压平台会变高，充电速度会加快，而充电容量随之降低，电池的电量储备会变少。在放电过程中，随着C值的增大，瞬时放电电流也会随之增大，电动汽车等用电器的驱动能力也会进一步提升，但电压平台会变低，放电容量减少，意味着电池输出的电量会随之降低。

锂电池的循环次数决定着电池的使用寿命，是衡量电池性能的重要指标之一。影响锂电池循环寿命的方面很多。第一，电池本身材料体系的影响，不同的正负极材料所制备的电池在性能方面存在差异，相关研究发现，经过相同次数的标准充放电循环后，三元电池的容量保持率要低于磷酸铁锂电池，说明磷酸铁电池的循环稳定性更好，循环寿命更长；第二，电池设计和生产工艺的影响，正负极材料的合理配比（N/P比）可以有效提高电池的循环性能和安全性能。电解液的种类和注液量同样影响着电池的循环性能。电池在生产过程中，如极片的涂覆量、压实密度，卷绕过程中的卷绕张力、极片包覆，装配过程中，极耳与电池盖板正负极端面的焊接强度和面积，烘干参数及烘干流程、注液后静置时间、排气流程、化成流程等制造工艺都会对电池的循环性能产生影响。第三、电池使用方法及使用环境的影响，电池在使用过程中，工作电流的大小选取不当会使电池的充放电倍率发生改变，电池在高倍率下工作，其容量会发生衰减，而电池充电电压或放电电压超出或低于电池的正常截止电压会造成电池的过充电或过放电，对电池造成不可逆的破坏，进而影响电池容量。环境因素中温度的影响最大，环境温度过高或过低，会影响电池活性，衰减锂电池的循环寿命。

锂电池内部存在电阻。在电池工作的过程中，电池内部电流会流经电阻，这就导致锂电池在放电时，电池的电量储备不能完全转化为电能，电化学反应出现能量的损失。锂电池内阻分为欧姆内阻和极化内阻。欧姆内阻主要由电池材料及结构决定。极化内阻是指电化学反应时由极化引起的电阻。在电池持续使用的过程中，随着充放电次数会不断的增加，电池内的化学物质活性会降低，内阻也会进一步增大。此外，温度也会对电池内阻产生影响，随着温度降低，电池内部的离子传输会变慢，电池的内阻就会增大。

2锂电池结构安全分析

锂电池主要由正负极、隔膜、电解液和外壳组成。在充电过程中，锂离子会从正极材料分离，进入电解质溶液中，而此时电子由外电路进入负极。为了保持负极体系的电中性，溶液中的锂离子会插入到负极材料中。大多数的正负极材料为嵌入化合物。锂电池单体大多都是通过电极片堆叠或卷绕而成，锂电池组则是将多个单体电池通过串并联的方式有效排列组成。

锂电池在工作时通常有安全电压范围，锂电池的最佳放电效果会由充电特性曲线所决定。在锂电池充电的过程中，需要对充电电压进行合理控制，锂电池的充电模式包括恒流恒压与限流限压模式，先恒流后恒压充电较为普遍。目前三元电池的充电电压一般为4.2V，磷酸铁锂电池的充电电压一般为3.65V，当充电超过规定最高电压上限后会导致电池过充。部分设计人员会在单体电池中增加过充保护装置。充电器为电池提供恒定电流，电池电压在达到饱和状态下，会转入到恒压充电模式。而电池的大部分电能也是在恒流阶段充入到电池当中。

3锂离子电池安全性能测试

3.1短路试验

锂电池在短路时会产生较大电流，使锂电池内部汇集大量的热能，而电池的温度也会快速升高，在高温的作用下，电池内部会出现正负极材料、电解液的放热反应和气化反应，。随着电池温度不断升高和产气量的不断增大，电池会不断鼓胀，电池隔膜也可能受热收缩甚至出现内短路，电池内部压力不断升高甚至撑破外壳，电池内部物质会迅速扩散到空气当中，出现爆炸起火现象。

3.2过充电试验

锂电池在过充电过程中，电压会持续升高，电池温度逐步上升，电池内部会出现正负极与电解液之间的反应，正极材料因过度脱锂而发生结构的破坏，负极因过量的锂离子嵌入，超出其承载能力，造成析锂，而高温高压下电解液会被氧化分解，在此过程中，电池内部会产生大量气体使电池外壳发生鼓胀。锂电池内部在高温高压的持续作用下，可能喷散出电解液、可燃气体和浓烟，而电解液中的碳酸酯类溶剂会在高温下燃烧，从而引发起火甚至爆炸现象。过充时负极析出的树枝状锂枝晶，也可能会刺穿隔膜，导致电池内部短路，造成电池热失控。

3.3挤压试验

对锂电池进行挤压实验，可能引发电池热失控，电池形变会随着挤压力不断增大而愈发剧烈，电池内的隔膜会受力破损，使正负极极片接触，导致电池内部出现与针刺实验类似的剧烈反应，从而引发电池出现起火爆炸。在电池发生变形时，正负极极耳一旦接触就会形成外部短路，同样会诱发锂电池的热失控。

4提高锂离子电池安全性能的措施

4.1优化电池结构设计

锂电池是由正负极片、隔膜、盖板、壳体等材料通过制造工艺组合而成，制造工艺决定着电池结构，而电池结构对电池的电性能和安全性能产生重要的影响。为了提升电池设计的安全性，技术人员要结合材料的特性及电池的应用需求，制定出科学合理的结构布局。在锂电池结构中增加一些切实可行的保护装置，如极组保护膜，安全阀、Fuse等。

4.2提升原材料安全性

锂电池原料要选用安全系数更高的正负极活性材料、隔膜以及电解液。提升正负极材料的安全性，要基于材料的物理性能、热力学以及化学稳定性三方面进行分析。隔膜材料要从机械强度、热收缩率、闭孔温度、孔隙率、厚度以及化学稳定性等方面分析，隔膜增加陶瓷层也可以提高电池安全性。电解液则要选择热稳定性和化学稳定性更高，阻燃效果更强、导电率更好的材料。另外，锂电池在生产的过程中要严格遵照标准规范，确保电池生产过程能够得到全面的监控，做好各工序的质量控制工作，不断优化生产工艺，提高电池质量和一致性。

5总结

总之，锂离子电池具备诸多应用优势，在当前社会也有着巨大的应用空间和应用价值。各类电池生产企业，要严格遵守国家标准，规范完成锂电池的测试工作，确保其安全性，并不断改善锂电池的使用寿命及电性能，为我国社会的可持续发展提供支持和动力。

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