鋰電池安全測試項目分析（一）

截止今天，鋰離子電池的應用已經(jīng)取得了巨大的成功，特別是其廣泛應用在了在移動(dòng)電子產(chǎn)品。但不能忽視的是，自從鋰離子電池大規模商業(yè)化推廣以來(lái)，與其相關(guān)的安全事故就幾乎沒(méi)有停止過(guò)。鋰離子電池的安全性已經(jīng)成為制約其進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵因素。鑒于電池材料體系、制造過(guò)程一致性等原因，對鋰離子電池進(jìn)行安全性檢測將非常的重要。

目前針對鋰離子電池的安全檢測標準在不斷的更新中，但其基本安全檢測模式已經(jīng)成型，各種常見(jiàn)的檢測項目也已被廣泛接納和采用。在安全檢測項目中，每個(gè)檢測項目都模擬了一種用戶(hù)在使用過(guò)程中可能會(huì )發(fā)生的誤（濫）用情況。如過(guò)充電測試模擬的是保護電路板失效的情況。由于模擬的情況不同，鋰離子電池各個(gè)安全測試項目的難度顯然是不同的。根據摩爾實(shí)驗室（MORLAB）的以往檢測經(jīng)驗，過(guò)充電、150℃熱沖擊、針刺、擠壓、高溫短路、重物沖擊等是經(jīng)常發(fā)生失效（Fail）的項目。

由于內容設計面較多，因此我們將分期介紹并分析各種鋰電池測試項目的相關(guān)程序、標準要求、失效原因以及對應的解決方案。本期我們主要講一下鋰電池的熱沖擊測試項目。

熱沖擊：
以CTIA關(guān)于符合IEEE1725標準的認證程序為例，其中與熱沖擊有關(guān)的條款：
Section 4.2：
Test Procedure:5 cells at 80% +/- 5%SOC to be placed in oven at ambient temperature. The oven temperature shall be ramped at 5 ±2°Cper minute to 150 ±2°C. After 10 minutes at 150 ±2°C, the test is complete.
Compliance:No fire, smoke, explosion or breaching of the cell is allowed within t he first 10 minutes. Venting is permitted.
Section 4.50：
Test Procedure:5 fully charged cells (per cell manufactures specifications) shall be suspended (no heat transfer allowed to non-integral cell components) in a gravity convection or circulating air oven at ambient temperature. The oven temperature shall be ramped at 5 ±2°Cper minute to 130 ±2°C. After 1 hour at 130 ±2°C, the test is ended.
Compliance:Cells shall not flame or explode when exposed to130°Cfor 1h.

熱沖擊項目分析：

目前標準中熱沖擊項目要求不盡相同，最常見(jiàn)的是熱沖擊到130°C并保持1小時(shí)。其它的要求如：130°C/0.5h，150°C/10min，150°C/0.5h。 其中150°C/0.5h熱沖擊條件最常出現失效的情況。

失效原因分析：

在熱沖擊測試過(guò)程中（如150℃），只有內部烘箱的熱能、電池內部的活性物質(zhì)的內能，以及貯存在鋰離子電池中的電能。即使是150°C的烘箱溫度也不會(huì )達到處于滿(mǎn)充狀態(tài)的電池中活性物質(zhì)的著(zhù)火點(diǎn)。那么很顯然電池失效的原因為電池內部物質(zhì)電能或者是內能的釋放。足夠多的熱量被釋放出來(lái)后，將引起電池內部劇烈的化學(xué)反應，最后將導致被測物而失效（Fail）。

在本測試中，電池本身熱量產(chǎn)生的來(lái)源有以下幾種可能：1）外部烘箱的熱量傳遞；2）陽(yáng)極化學(xué)反應的放熱；3）陰極化學(xué)反應的放熱；4）隔膜在高溫下收縮或融化，導致陰陽(yáng)極短路而釋放出熱量。

如果陽(yáng)極材料的熱穩定性差，高溫下SEI膜分解反應強烈，則陽(yáng)極在達到150℃后溫度會(huì )繼續上升，并且熱失控而放出大量熱。

如果陰極材料的熱穩定性差，高溫下其和電解液起反應（起始溫度約150℃）所放出的熱量不斷積累后最終使電池內部溫度達到熱失控而大量放熱，此時(shí)發(fā)送此現象通常是在達到150℃后的10～15分鐘左右。

鋰電池所有隔膜由于原料和工藝的不同，它的熱穩定性也有所不同。聚丙烯（PP）材料的隔膜熔點(diǎn)在160℃左右，聚乙烯（PE）材料的隔膜熔點(diǎn)在130℃左右，多層隔膜的熔點(diǎn)與其組成成分有關(guān)系。當整個(gè)電池做150℃熱沖擊測試時(shí)，可以通過(guò)上面的原理進(jìn)行分析。

解決方案建議：

如果出現熱沖擊測試失效，根據上述描述確定了電池的主要發(fā)熱源后，可以采用熱穩定性更高的材料來(lái)優(yōu)化或者改變設計比例方式，使電極在滿(mǎn)充狀態(tài)時(shí)處于比較穩定的電壓狀態(tài)。