你知道鋰電池安全性能測(cè)試的方法有哪些嗎？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-30 21:42
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當(dāng)今市場(chǎng)鋰電池之所以受廣大消費(fèi)者青睞，主要是電池技術(shù)成熟，質(zhì)量安全有保障，這也就推動(dòng)了鋰電產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，為安全使用和處理鋰電池，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)民用鋰電池安全通用要求的要求，對(duì)鋰電池測(cè)試，確保安全使用。根據(jù)本標(biāo)準(zhǔn)適用于民用的各類充電電池，如今電動(dòng)工具市場(chǎng)日益龐大，世界各國(guó)都在致力于開發(fā)電動(dòng)工具用的環(huán)保型鋰離子電池，綠色環(huán)保的鋰離子電池具有比能量高、比功率大、充電效率高、無(wú)環(huán)境污染等特點(diǎn)，性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于以往使用的鎳氫電池。鋰電池安全性能測(cè)試顯得尤為重要。
針對(duì)鋰電池安全性測(cè)試主要有以下幾個(gè)方面：需通過(guò)過(guò)充、短路、針刺、擠壓、重物撞擊等安全測(cè)試，電池不起火、不爆炸即可，以下是具體的方法：
過(guò)充測(cè)試將鋰電池充滿電，在按照3C過(guò)充進(jìn)行過(guò)充試驗(yàn)，當(dāng)電池過(guò)充時(shí)電壓上升到一定電壓時(shí)穩(wěn)定一段時(shí)間，接近一定時(shí)間時(shí)電池電壓快速上升，當(dāng)上升至一定限度時(shí)，電池高帽拉斷，電壓跌至0V，電池沒有起火、爆炸即可。
短路測(cè)試將電池充滿電后用電阻不大于50mΩ的導(dǎo)線將電池正負(fù)極短路，測(cè)試電池的表面溫度變化，電池表面最高溫度為140℃，電池蓋帽拉開，電池不起火、不爆炸；針刺測(cè)試：將充滿電的電池放在一個(gè)平面上，用直徑3mm的鋼針沿徑向?qū)㈦姵卮檀?。測(cè)試電池不起火、不爆炸即可；擠壓測(cè)試：將充滿電的電池放在一個(gè)平面上，由油壓缸施與13+1KN的擠壓力，由直徑為32mm的鋼棒平面擠壓電池，一旦擠壓壓力到達(dá)最大停止擠壓，電池不起火，不爆炸即可。
重物撞擊測(cè)試將電池充滿電后，放置在一個(gè)平面上，將直徑15.8mm的鋼柱垂直置于電池中心，將重量9.1kg的重物從610mm的高度自由落到電池上方的鋼柱上，電池不起火、不爆炸即可。
動(dòng)力鋰電池，幾乎全部的設(shè)計(jì)都打有安全的烙印，外殼的防水設(shè)計(jì)，電池包的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，熱管理系統(tǒng)，BMS的溫度監(jiān)測(cè)、煙霧報(bào)警、防過(guò)充過(guò)放程序等等。安全是動(dòng)力電池包的重中之重。
如果能夠釜底抽薪，動(dòng)力鋰電池自身足夠安全，則周邊工程的設(shè)計(jì)將會(huì)變得無(wú)比自由，成本也會(huì)應(yīng)聲而下。那么什么樣的鋰電池是安全的鋰電池？
1 動(dòng)力鋰電池的基本組成
以圓柱形電池為例，如上圖所示，鋰電池的主要結(jié)構(gòu)包括殼體，正極，負(fù)極，隔膜，電解液，安全閥等安全保護(hù)裝置以及一些導(dǎo)電密封輔助結(jié)構(gòu)。
殼體，是整只電芯的保護(hù)層，對(duì)電芯起到支撐、隔離和絕緣等保護(hù)性作用。軟包電池，沒有高強(qiáng)度的殼體，其在小規(guī)模成組以后，也要設(shè)計(jì)具備一定強(qiáng)度的殼。
直接參與電池電化學(xué)過(guò)程的是正極、負(fù)極和電解液，可以說(shuō)它們是事故的源頭，也是真正解決安全問題的病根所在。
2 正極、負(fù)極和電解液的安全性問題
鋰電池的安全事故，無(wú)論是電芯老化或者自身質(zhì)量問題帶來(lái)的自內(nèi)而外的過(guò)熱，進(jìn)而導(dǎo)致熱失控，還是由于交通事故或者其他類型的濫用造成的熱失控，事故發(fā)生總要經(jīng)歷電芯材料劇烈反應(yīng)的過(guò)程，如果能夠阻斷這個(gè)點(diǎn)，則電池可以失效，但永遠(yuǎn)不會(huì)燃爆。
2.1 電解液
電解液存在兩個(gè)方向的問題，自身容易燃燒，又具有與正負(fù)極材料發(fā)生反應(yīng)的傾向。
初中化學(xué)告訴我們，燃燒的三要素：可燃物（燃燒的物質(zhì)），助燃物（氧氣）和燃點(diǎn)（達(dá)到可燃物的燃燒溫度）。三個(gè)條件缺一不可，阻斷其中之一，燃燒便不會(huì)發(fā)生。電池自身安全性，電池材料不可燃是安全隱患的終結(jié)者。
目前常見的電解液都是有機(jī)溶劑質(zhì)地，是極易燃燒的材質(zhì)。而電解液與正極發(fā)生副反應(yīng)的產(chǎn)物，就包含氧氣。因此，電池一旦積聚了較多熱量，達(dá)到較高溫度，連鎖反應(yīng)都會(huì)給電解液燃燒提供條件。
問題在于，電解液傳輸電荷的能力，對(duì)電池的電壓有直接的影響。當(dāng)前人們對(duì)于高電壓，高能量密度的追求，只有有機(jī)電解液才能滿足，因而暫時(shí)沒有找到更適合的材質(zhì)作為替代。
2.2 正極材料
正極材料的安全性問題主要存在于兩個(gè)方面。一個(gè)是充電狀態(tài)下，材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，另一個(gè)是電池高溫下，正極材料與電解液的反應(yīng)腐蝕問題。
正極材料的穩(wěn)定性問題，主要出現(xiàn)在過(guò)大電流充電過(guò)程中，與材料不匹配的鋰離子脫出速率會(huì)沖垮材料晶格結(jié)構(gòu)，毀壞的部分材料反過(guò)來(lái)堵住離子通路，增加了離子嵌入難度。這個(gè)過(guò)程中會(huì)有熱量積累，是引發(fā)鋰電池事故的一種常見原因。
正極被電解液腐蝕，放出少量氣體和熱量，這是電池使用過(guò)程中老化的一個(gè)重要原因。但正極與電解液的劇烈反應(yīng)，一般出現(xiàn)在電池溫度已高的階段，一般超過(guò)200℃，是熱量爆發(fā)式生成的重要力量。反應(yīng)不但放出大量的熱，還會(huì)有氣體產(chǎn)生，使得事故的危害可能升級(jí)。
2.3 負(fù)極材料
負(fù)極材料的安全性，主要圍繞其熱穩(wěn)定性進(jìn)行觀察，其穩(wěn)定程度與下面三個(gè)因素有關(guān)：電解液中電解質(zhì)的類型，石墨負(fù)極中嵌鋰碳含量的多少以及石墨負(fù)極使用的粘結(jié)劑的種類。
電解質(zhì)類型，石墨負(fù)極在首次充電化成中，形成保護(hù)膜SEI膜。SEI膜的存在，阻止了石墨與電解液的進(jìn)一步劇烈反應(yīng)。但電解液中的LiPF6對(duì)SEI膜的分解有促進(jìn)作用，使得鋰電池在大約60℃的儲(chǔ)存過(guò)程中，就可以出現(xiàn)分解并放熱。因此電解質(zhì)的成分對(duì)負(fù)極穩(wěn)定性有直接影響。
嵌鋰碳，有研究表明，負(fù)極中嵌鋰碳的含量高，會(huì)帶來(lái)負(fù)極與電解液更激烈的反應(yīng)。嵌鋰碳是在充電過(guò)程中形成，電池電量越高，其嵌鋰碳的含量也就越高。嵌鋰碳的影響，只能在電量高的階段加強(qiáng)其他安全措施，卻無(wú)法避免高濃度嵌鋰碳的現(xiàn)象出現(xiàn)。
負(fù)極粘結(jié)劑的種類，粘結(jié)劑在反應(yīng)中是否增加系統(tǒng)反應(yīng)放熱并沒有定論。不同類型的粘結(jié)劑，參與反應(yīng)的形式不同，有的成為嵌鋰碳反應(yīng)的助劑，有的自身參與反應(yīng)后失效，加速負(fù)極結(jié)構(gòu)走向崩潰。
以上三個(gè)方面的影響，發(fā)生的溫度由低到高，SEI膜的溶解，作為破壞式連鎖反應(yīng)的開端，阻止它發(fā)生意義重大。
