鋰電池安全測(cè)試項(xiàng)目分析（一）

截止今天，鋰離子電池的應(yīng)用已經(jīng)取得了巨大的成功，特別是其廣泛應(yīng)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(guī)模商業(yè)化推廣以來，與其相關(guān)的安全事故就幾乎沒有停止過。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、制造過程一致性等原因，對(duì)鋰離子電池進(jìn)行安全性檢測(cè)將非常的重要。

目前針對(duì)鋰離子電池的安全檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)在不斷的更新中，但其基本安全檢測(cè)模式已經(jīng)成型，各種常見的檢測(cè)項(xiàng)目也已被廣泛接納和采用。在安全檢測(cè)項(xiàng)目中，每個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目都模擬了一種用戶在使用過程中可能會(huì)發(fā)生的誤（濫）用情況。如過充電測(cè)試模擬的是保護(hù)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(cè)試項(xiàng)目的難度顯然是不同的。根據(jù)摩爾實(shí)驗(yàn)室（MORLAB）的以往檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，過充電、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(xiàng)目。

由于內(nèi)容設(shè)計(jì)面較多，因此我們將分期介紹并分析各種鋰電池測(cè)試項(xiàng)目的相關(guān)程序、標(biāo)準(zhǔn)要求、失效原因以及對(duì)應(yīng)的解決方案。本期我們主要講一下鋰電池的熱沖擊測(cè)試項(xiàng)目。

熱沖擊：
以CTIA關(guān)于符合IEEE1725標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證程序?yàn)槔?，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(xiàng)目分析：

目前標(biāo)準(zhǔn)中熱沖擊項(xiàng)目要求不盡相同，最常見的是熱沖擊到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(xiàn)失效的情況。

失效原因分析：

在熱沖擊測(cè)試過程中（如150℃），只有內(nèi)部烘箱的熱能、電池內(nèi)部的活性物質(zhì)的內(nèi)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(dá)到處于滿充狀態(tài)的電池中活性物質(zhì)的著火點(diǎn)。那么很顯然電池失效的原因?yàn)殡姵貎?nèi)部物質(zhì)電能或者是內(nèi)能的釋放。足夠多的熱量被釋放出來后，將引起電池內(nèi)部劇烈的化學(xué)反應(yīng)，最后將導(dǎo)致被測(cè)物而失效（Fail）。

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

如果陽極材料的熱穩(wěn)定性差，高溫下SEI膜分解反應(yīng)強(qiáng)烈，則陽極在達(dá)到150℃后溫度會(huì)繼續(xù)上升，并且熱失控而放出大量熱。

如果陰極材料的熱穩(wěn)定性差，高溫下其和電解液起反應(yīng)（起始溫度約150℃）所放出的熱量不斷積累后最終使電池內(nèi)部溫度達(dá)到熱失控而大量放熱，此時(shí)發(fā)送此現(xiàn)象通常是在達(dá)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(wěn)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(dāng)整個(gè)電池做150℃熱沖擊測(cè)試時(shí)，可以通過上面的原理進(jìn)行分析。

解決方案建議：

如果出現(xiàn)熱沖擊測(cè)試失效，根據(jù)上述描述確定了電池的主要發(fā)熱源后，可以采用熱穩(wěn)定性更高的材料來優(yōu)化或者改變?cè)O(shè)計(jì)比例方式，使電極在滿充狀態(tài)時(shí)處于比較穩(wěn)定的電壓狀態(tài)。