锂离子电池设计质量标准与测试方法研究

 锂离子电池设计质量标准与测试方法研究

关新利

（惠州亿纬锂能股份有限公司，广东惠州， 516000）

摘要：锂离子电池设计质量标准与测试方法是电池行业的重要课题，涉及到电池的性能、安全、可靠和环保等方面。因此电池设计质量标准与测试方法的研究需要综合考虑电池的材料、结构、工艺、管理等因素，以及电池的应用场景、使用条件、寿命要求等因素。

关键词：锂离子电池设计；质量标准；测试方法

1.引言

锂离子电池是一种将化学能转化为电能的装置，广泛应用于各种电子设备和电动车辆中。电池的设计质量直接影响了电池的性能、安全性和寿命，因此需要制定合理的质量标准和测试方法。

锂离子电池设计质量标准是指电池在设计阶段应满足的技术要求和规范。设计质量标准的制定应基于电池的使用环境、工作条件、性能指标和安全要求，同时考虑电池的成本、可制造性和可回收性等因素。电池设计质量标准是为了提高电池的质量水平，减少电池的缺陷和故障，延长电池使用寿命，降低电池的环境影响，提升电池的市场竞争力。电池测试方法是指对电池进行性能和安全性等的检测和评估方法，包括电池的电压、电流、容量、内阻、温度、循环寿命、充放电效率、能量密度、功率密度、安全性等。电池测试方法和目的是根据电池的类型、规格、应用场景和质量标准规范等，评估出电池的性能和安全性，发现电池的优缺点及改进方向。

2.相关概述

2.1 能量密度

能量密度是衡量电池性能的重要参数，其标准应基于设计容量和体积。标准测试方法包括放电曲线分析和比能量计算。放电曲线分析是通过测量电池在不同电流和电压下的放电时间，绘制出电池的放电曲线，从而评估电池的能量密度。比能量计算是通过将电池的放电能量除以电池的质量或体积，得到电池的比能量，即单位质量或单位体积的能量。电池的能量密度越高，说明电池的性能越好，有更优秀的续航时间和输出功率。

2.2 循环寿命

电池的循环寿命直接关系到其在多次充放电周期中的性能稳定性。测试方法包括充放电循环测试和循环寿命模拟。充放电循环测试是通过对电池进行一定次数的充放电，观察电池的容量衰减情况，评估电池的循环寿命。循环寿命模拟是不同的充放电条件下模拟电池在实际使用环境中的工作状态，预测电池寿命。电池的循环寿命越长，说明电池的性能越稳定，可靠性和经济性越好。

2.3 安全性

安全性是电池重要考量指标，包括过充、过放、高温等方面的安全性。测试方法包括热失控模拟和过充过放测试。热失控模拟是通过对电池进行加热或短路，模拟电池发生热失控，通过检测电池的温度、压力、释放气体等参数，评估电池的安全性。过充过放测试是通过对电池进行超出正常范围的充放电，观察电池的结构变化、电化学反应、电池性能等指标，评估电池的安全性。电池的高安全性，可以避免电池发生爆炸、起火、泄漏等危险情况。

3.电池设计质量标准与测试方法

3.1非正常充电

制备三个试样，第一组满电，第二组全部以0.5 A的恒流放电至2.8 V，第三组全部以0.5 A的恒流放电至2 V。在没有并联二极管的情况下，对三组电池进行组装。

三个电池组为满电、半电、空电状态。把电流表和一个可变电阻连接在一起，形成一个串联电路。然后把这个电路和一个伏特计并联，接到一个18 V的直流电源上。用这个电路给一个锂电池充电，电流是9 A，充电时间是7h。对锂电池的三种状态（满电、半电、空电）都做了这样的充电实验。结果发现，锂电池上的防反充二极管起作用，电流未反向流入电池，电池未发生爆炸或者着火。表1是非正常充电测试记录表。

表1非正常充电试验记录表

3.2外部短路

选择2个满电态和2个半电态电池，在20℃、60℃的温度下进行实验。先把样品放在20℃的环境中2h，等温度稳定后，用电阻为0.05Ω的导线把样品的两极短路，直到样品外壳温度降到10℃以下，然后再继续短路1h。在6h内，记录样品的温度变化。用同样的方法，对另一组样品在60℃环境中进行实验。实验结果显示，使用PTC保护电路的样品在外部短路时没有发生爆炸和起火现象。表2是外部短路实验记录表。

表2外部短路试验记录表

3.3跌落

先选取一个充满电的锂电池作为样品。然后把样品从120cm的高度，自由落到混凝土地面上。样品要在三个方向上各落一次，这三个方向要相互垂直。实验结束后观察样品1h。实验显示，锂电池没有发生爆炸、起火、泄气等现象。

3.4强制放电

制备两套样品，一套是不带并联二极管的，另一套是并联二极管的。首先，释放1个单体电池的电量（2 A到2 V，恒定电流0.5 A到0.2 V）。在此基础上，再与其它5个单体串联，不带电荷的单体分布在中间，将产品进行组装。将测温枪 K型探针固定于电池组件的正面，并盖上盖子。在室温下以2.5 A恒电流放电，达到1.2 V，并观测电池组的温度随时间的变化。如图2所示，两组样品均未出现泄漏，泄放，爆炸，起火等现象。

不带有二极管的锂电池组，见图2 （a），不带电荷的单体电池已经在过放，并且温度不断上升。当工作电压为10 V的时候，最高的时候是90℃，最后是94.3℃，此时电池组中有大量的热量在积聚，由于膜片的密封，电压急剧降低。

带有二极管的锂电池组，见图2(b)，并接二极管的样品，在大多数情况下保持在55℃，10 V下仅为60℃，当电池工作电压降到10 V以下时，剩余的电池慢慢消耗完，进入过放电阶段，温度逐步上升到80.5℃。

图2（a）                                      图2（b）

图2锂电池组温度和电压曲线

3.5针刺

将满电荷的锂电池组固定于针刺装置上，利用具有较好导电性的钢针，以25mm/s的速率，在与中央电极片垂直的方向插入样品，针刺穿样品。将样品冷却到室温，然后将其针刺效果显示在图3中。当样品冷却到室温时，电池组未发生爆炸、起火。

图3锂电池组针刺试验后外观图

3.6温度冲击

实验方法如下：先把充满电的锂电池放在高低温箱，调节温箱的温度，让样品经历以下温度变化：

从20℃升到75℃，保持4h

从75℃降到20℃，保持2h

从20℃降到-40℃，保持4h

从-40℃升到20℃ ，以上温度循环重复10次，然后把样品拿出来，放在室温下观察2h以上。实验结果显示，锂电池未发生爆炸、起火、泄气、泄液等现象。

3.7热冲击

先把充满电的锂电池放在高低温箱里，然后让温箱以5℃/min的速度升温，直到达到130℃，保持10min，然后以5℃/min速率降温，直到温度降到10℃或以下，最后观察样品的情况。实验结果显示，锂电池未发生爆炸、起火、泄气、泄液等现象。

3.8强制泄放

模拟锂电池组中的一个单体电池放电后的安全状况。实验方法是用恒电位计给电阻线加电，通过调节电流大小，让电阻线对电池进行恒定加热。实验过程中，用温度传感器实时监测电池的温度变化。监测结果表明，在150℃时，监测器的温度升高速率明显增加，说明电池内有短路现象，155℃时，发现电解液泄漏，从而终止加热。等温度降下来，拆下锂电池，看其放电状况。从外部观察，电池未破裂，拆卸端盖，每一块电池均被测量，仅有一块电池泄漏。锂电池组未爆炸，未着火，轻微漏气及少量液体渗漏。

图4锂电池组拆解图

参考文献

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