鋰離子電池的過(guò)充電測試

作者簡(jiǎn)介：林健，福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院電子所電池實(shí)驗室，工程師。E-mail: 49750001@qq.com。

0   引言

當前，隨著(zhù)經(jīng)濟的快速增長(cháng)和科技的高速進(jìn)步，便攜式設備和智能設備的廣泛應用逐步提高了人們的生活質(zhì)量和便捷性。大到電動(dòng)車(chē)、筆記本電腦、iPad，小到手機、手環(huán)、學(xué)生手表等，幾乎成為大部分家庭甚至每個(gè)人生活和工作不可或缺的裝備。由于具備體積小、容量大、循環(huán)使用壽命長(cháng)等這些優(yōu)點(diǎn)，使得鋰離子電池成為這些電子產(chǎn)品的動(dòng)力首選。市場(chǎng)上電子產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，有些廠(chǎng)家在利益的驅逐下鋌而走險，為節約成本，使用了劣質(zhì)的鋰離子電池。這些鋰離子電池本身不帶保護電路，或者即使有保護電路，也無(wú)法起到保護功能。消費者在不當使用（如長(cháng)時(shí)間充電）或者出現故障（如某一保護器件失效）的情況下給設備充電，極易對鋰離子電池產(chǎn)生過(guò)充，引起電池的外殼裂紋、破裂或爆裂而導致化學(xué)漏液，化學(xué)漏液可能?chē)乐赜绊懓踩雷o，而溫度過(guò)高則可能發(fā)生著(zhù)火、甚至爆炸等危險，進(jìn)而危及消費者的人身及財產(chǎn)安全。針對鋰離子電池的過(guò)充電性能，GB 31241—2014標準規定所有的便攜式用鋰離子電池都應滿(mǎn)足6.3 條款“過(guò)充電”的試驗要求。下面，我們就從試驗對象、試驗原理、試驗方法和試驗實(shí)例等四個(gè)方面來(lái)進(jìn)行闡述。

1   試驗對象

過(guò)充電試驗主要針對的是可充電鋰離子電池，對于燃料電池、鎳氫電池、鉛酸蓄電池及不可充電電池如干電池不適用。一般情況下，只有鋰離子電池組內才有安全保護電路（見(jiàn)圖1 電池A），其他類(lèi)型的電池不具備安全保護電路（見(jiàn)圖1 電池B）。鋰離子電池是一種可將化學(xué)能轉化為電能、并可以循環(huán)充放電的電池。該電池一般含有外殼、端子、正負電極、隔膜、電解液^[1]。鋰離子電池組是一種由任意數量的鋰離子電池加保護電路板及外部材料封裝組合而成，其保護電路中可能還帶有保險絲、熱敏電阻等保護器件^[1]。鋰離子電池組即傳統定義中的電池。本試驗對象為圖1 中的電池B，即傳統定義中的電芯。鋰離子電池過(guò)充電測試應當使用全新設備中的電池，或者由制造廠(chǎng)商提供的全新電池。根據鋰離子電池廠(chǎng)家提供的參數，將電池用推薦放電電流放電至電池的放電截止電壓后再進(jìn)行過(guò)充電試驗。

圖1 鋰電池A內部有保護電路，鋰電池B無(wú)保護電路

2   試驗原理

鋰離子電池的過(guò)充電測試在模擬電池組中的保護電路因某個(gè)元器件故障導致保護功能失效，或者是其保護電路本身就不帶過(guò)充保護功能的情況下非正常充電。該試驗是為了測試鋰離子電池（即電芯，沒(méi)有保護電路）在承受過(guò)充電的過(guò)充應力時(shí)的電池安全性能。過(guò)充電的過(guò)充應力都施加在電芯上，實(shí)際上等于直接對電芯的耐過(guò)充電能力進(jìn)行考核。為了使試驗時(shí)間最短，測試過(guò)程中可借用溫度記錄儀或者電池充放電設備自帶的溫度監控探頭來(lái)監測電池表面溫度變化。若電池持續充電的時(shí)間超過(guò)7 h 及廠(chǎng)家提供的充電時(shí)間中較大值^[1]，或者被測電池表面的溫度下降到比峰值低20%^[1]，即可終止試驗。鋰離子電池受到過(guò)充電的過(guò)充應力時(shí)，其自身應能夠避免因過(guò)充應力產(chǎn)生起火、爆炸等危險。這種情況，對電芯的要求是比較嚴酷的，所以在研發(fā)人員在選擇電芯的時(shí)候，應有這方面的考慮。

3   試驗方法

1）根據鋰離子電池廠(chǎng)家提供的參數（廠(chǎng)家需提供推薦放電電流和放電截止電壓這兩個(gè)參數），將鋰離子電池用推薦放電電流放電至電池的放電截止電壓（此時(shí)可以認為電池已放完電）。

2）然后取3 倍率額定容量（額定容量可以根據電池樣品上銘牌標稱(chēng)確定，也可由廠(chǎng)家提供的規格書(shū)確定）大小的電流或者用3 倍率推薦充電電流（該推薦充電電流由廠(chǎng)家提供）中的較大值，進(jìn)行恒流充電至其過(guò)壓充電電壓（該電壓由其正極材料決定，見(jiàn)表1，對于其他正極材料的鋰離子電池過(guò)充電電壓至少應為4.6 V），然后用該試驗電壓恒壓充電^[1]。

3）測試過(guò)程中將溫升記錄儀或者電池充放電設備自帶的溫度監控探頭用溫升膠黏在被測電池表面的中心位置，用來(lái)采集監控電池表面的溫度變化。若電池持續充電的時(shí)間超過(guò)7 h及廠(chǎng)家提供的充電時(shí)間中較大值[1]，或者被測電池表面的溫度下降到比峰值低20%^[1]，試驗即可終止。如監測到電池表面的峰值溫度為100 ℃，由于電池的保護，后面溫度降到80 ℃，雖然此時(shí)電池持續充電的時(shí)間可能很短，本試驗便可終止。

4）電池應不起火、不爆炸^[1]。

4   試驗實(shí)例

我們以一個(gè)應用在智能手機上的鋰離子電池（圖2）作為測試樣品。測試樣品的額定容量為1 800 mA·h，充電限制電壓為4.2 V，推薦充電電流為520 mA，放電截止電壓為2.8 V，電池的正極材料是鈷酸鋰，制造商未規定充電時(shí)間。根據以上信息，我們應用3 倍率額定容量大小的電流（5.4 A）恒流充電至其過(guò)壓充電電壓（4.6 V），然后用4.6 V 的電壓恒壓充電并監測電池溫度變化（試驗布置見(jiàn)圖3）。

圖2 鋰電池外觀(guān)

圖3 鋰電池試驗布置圖

經(jīng)測試發(fā)現，電池的溫度下降到峰值（46.9 ℃）的20%（37.5 ℃）（溫度曲線(xiàn)見(jiàn)圖4）時(shí)，此時(shí)電池放完電后已持續充電約40 min（過(guò)充電曲線(xiàn)見(jiàn)圖5），停止試驗。觀(guān)察電池，發(fā)現電池未起火，未爆炸，按照標準要求，則可以判定該電池能滿(mǎn)足過(guò)充電測試要求（試驗后電池見(jiàn)圖6）。

圖4 鋰電池過(guò)充電試驗溫升曲線(xiàn)

圖5 鋰電池過(guò)充電試驗電壓電流曲線(xiàn)

圖6 鋰電池過(guò)充電試驗后外觀(guān)

5   結束語(yǔ)

鋰離子電池的過(guò)充電測試可以理解為是對電芯的耐過(guò)充電承受能力的考核。實(shí)際的電路應用中，建議工程師在電路的設計和電芯的選型中，保護電路和電芯都能夠承受過(guò)充電測試，耐受過(guò)充電測試的過(guò)充應力，做到雙保險，最大限度保護消費者的安全。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國國家質(zhì)量監督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會(huì ).GB31241—2014便攜式電子產(chǎn)品用鋰離子電池和電池組安全要求[S].2015.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年9月期）