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锂电池安全性及检测

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人气:-发表时间:2018-07-03 10:42【

随着手机、数码产品、电动汽车的普及,锂离子电池在人们生活当中扮演着越来越重要的角色。低能量密度、循环寿命有限等使用问题常常被人们诟病,但是与这些问题相比,电池安全问题一直是人们关注的焦点。

近些年,由于电池安全问题引发的事故比比皆是,很多问题造成的后果触目惊心,比如震惊业界的波音787“梦幻”客机锂电池起火事件,以及SamsungGalaxy Note 7 大范围的电池起火爆炸等事件,给锂离子电池的安全性问题多次敲响了警钟。

广东联鼎检测锂电池安全性及检测

一 锂离子电池的组成及工作原理

锂离子电池主要由正极、负极、电解液、隔膜以及外部连接、包装部件构成。其中,正极、负极包含活性电极物质、导电剂、粘结剂等,均匀涂布于铜箔和铝箔集流体上。

锂离子电池的正极电位较高,常为嵌锂过渡金属氧化物,或者聚阴离子化合物,如钴酸锂、锰酸锂、三元、磷酸铁锂等;锂离子电池负极物质通常为碳素材料,如石墨和非石墨化碳等;锂离子电池电解液主要为非水溶液,由有机混合溶剂和锂盐构成,其中溶剂多为碳酸之类有机溶剂,锂盐多为单价聚阴离子锂盐,如六氟磷酸锂等;锂离子电池隔膜多为聚乙烯、聚丙稀微孔膜,起到隔离正、负极物质,防止电子通过引起短路,同时能让电解液中离子通过的作用。

在充电过程中,电池内部,锂以离子形式从正极脱出,由电解液传输穿过隔膜,嵌入到负极中;电池外部,电子由外电路迁移到负极。在放电过程中:电池内部锂离子从负极脱出、穿过隔膜,嵌入到正极中;电池外部,电子由外电路迁移到正极。随着充、放电,迁移于电池间的是“锂离子”,而非单质“锂”,因此电池被称为“锂离子电池”。


二 锂离子电池的安全隐患

一般来说,锂离子电池出现安全问题表现为燃烧甚至爆炸,出现这些问题的根源在于电池内部的热失控,除此之外,一些外部因素,如过充、火源、挤压、穿刺、短路等问题也会导致安全性问题。锂离子电池在充放电过程中会发热,如果产生的热量超过了电池热量的耗散能力,锂离子电池就会过热,电池材料就会发生SEI膜的分解、电解液分解、正极分解、负极与电解液的反应和负极与粘合剂的反应等破坏性的副反应。

    

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1 正极材料的安全隐患

当锂离子电池使用不当时,导致电池内部温度的升高,使正极材料会发生活性物质的分解和电解液的氧化。同时,这两种反应能够产生大量的热,从而造成电池温度的进一步上升。不同的脱锂状态对活性物质晶格转变、分解温度和电池的热稳定性影响相差很大。

2 负极材料的安全隐患

早期使用的负极材料是金属锂,组装的电池在多次充放电后易产生锂枝晶,进而刺破隔膜,导致电池短路、漏液甚至发生爆炸。嵌锂化合物能够有效避免锂枝晶的产生,大大提高锂离子电池的安全性。随着温度的升高,嵌锂状态下的碳负极首先与电解液发生放热反应。相同的充放电条件下,电解液与嵌锂人造石墨反应的放热速率远大于与嵌锂的中间相碳微球、碳纤维、焦碳等的反应放热速率。

3 隔膜与电解液的安全隐患

锂离子电池的电解液为锂盐与有机溶剂的混合溶液,其中商用的锂盐为六氟磷酸锂,该材料在高温下易发生热分解,并与微量的水以及有机溶剂之间进行热化学反应,降低电解液的热稳定性。电解液有机溶剂为碳酸酯类,这类溶剂沸点、闪点较低,在高温下容易与锂盐释放PF5的反应,易被氧化。

4 制造工艺中的安全隐患

锂离子电池在制造过程中,电极制造、电池装配等过程都会对电池的安全性产生影响。如正极和负极混料、涂布、辊压、裁片或冲切、组装、加注电解液的量、封口、化成等诸道工序的质量控制,无一不影响电池的性能和安全性。浆料的均匀度决定了活性物质在电极上分布的均匀性,从而影响电池的安全性。浆料细度太大,电池充放电时会出现负极材料膨胀与收缩比较大的变化,可能出现金属锂的析出;浆料细度太小会导致电池内阻过大。涂布加热温度过低或烘干时间不足会使溶剂残留,粘结剂部分溶解,造成部分活性物质容易剥离;温度过高可能造成粘结剂炭化,活性物质脱落造成电池内部短路。

5 电池使用过程中的安全隐患

锂离子电池在使用过程中应该尽可能减少过充电或者过放电,特别对于单体容量高的电池,因热扰动可能会引发一系列放热副反应,导致安全性问题。


三 锂离子电池安全检测指标

锂离子电池生产出来后,在到达消费者手中之前,还需要进行一系列检测,尽量保证电池的安全性,降低安全隐患。举例UL1642对锂离子电池安全检测部分指标如下:

1短路测试:将两组充满电后的电池分别在20 ±5°C 55 ±5°C环境下,用80 ±20 mohm电阻的导线将电池正负极短路,监测电池表面的温度变化。当电池电压下降到0.2C以下,表面温度下降到(环境温度±10)°C时停止测试。电池应不起火、不爆炸。

2异常充电测试:0.2C的电流将电池放至截止电压,使用最大电压和3Ic的电流对样品进行试验,测试时间为7小时或达到制造商宣传的截止条件(取时间长者),测试中有不可恢复的过流或保护元件动作,则需以达到保护点前的电流重复一次测试。如果有可恢复的元件,则重复10次或充电完成,不超过7h。电池应不起火、不爆炸。

3挤压测试:将充满电的电池放在一个两个金属平面中间,由油压缸施与13±1KN的挤压力,一旦挤压压力到达最大停止挤压,电池不起火,不爆炸即可。方形电芯需翻转90度进行挤压。电池应不起火、不爆炸。

4撞击测试:电池充满电后,放置在一个平面上,将直径15.8mm±0.1mm的钢柱垂直置于电池中心,将重量9.1±0.46Kg的重物从610mm±25mm的高度自由落到电池上方的钢柱上。电池应不起火、不爆炸。

5温度循环测试:锂离子电池温度循环试验是用来模拟锂离子电池在运输或贮存过程中,反复暴露在低温和高温环境下,锂离子电池的安全性,试验是利用迅速和极端的温度变化进行的。测试后应在20 ±5°C环境温度下存放24h。电池应不起火、不爆炸、不泄气或漏液。

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