淺談現(xiàn)有鋰離子電池檢測標準

蔡春皓，段冀淵，壽曉立，楊榮靜

(中華人民共和國上海出入境檢驗檢疫局，上海 200135)

淺談現(xiàn)有鋰離子電池檢測標準

蔡春皓，段冀淵，壽曉立，楊榮靜

(中華人民共和國上海出入境檢驗檢疫局，上海 200135)

從適用范圍、判定依據(jù)的角度，對現(xiàn)有的國內(nèi)外鋰離子電池檢測標準，如國際電工委員會(IEC)、電氣和電子工程師協(xié)會(IEEE)、美國保險商實驗室(UL)和國家標準(GB)等進行分析，提出現(xiàn)有標準在判定中缺乏定量指標的不足。

鋰離子電池; 安全性能; 檢測; 標準

由于安全問題而發(fā)生鋰離子電池產(chǎn)品召回的案例日益增多［1］。Li+的活性和高能量密度的特性，會給鋰離子電池安全性帶來較大的問題。目前，對鋰離子電池的安全性能，尤其是一些潛在的微小結(jié)構(gòu)缺陷所帶來的安全隱患的篩查，檢驗方法和標準落后于鋰離子電池技術(shù)的發(fā)展，評價方法和評價體系尚未適應鋰離子電池安全性能評估的要求。

有鑒于此，本文作者對國內(nèi)外現(xiàn)有的一些具有代表性的標準進行了歸納和分析，以期為檢測技術(shù)的發(fā)展提供參考。

1 電池安全性能檢測標準簡介

目前，應用得較為廣泛的國際標準是國際電工委員會(IEC)的鋰離子電池標準。根據(jù)各自的需求，國際航空運輸協(xié)會(IATA)、聯(lián)合國危險貨物運輸專家委員會及國際民用航空組織(ICAO)等機構(gòu)，也制定了相關的鋰離子電池運輸安全標準，并得到廣泛應用。此外，一些國家及組織，如美國保險商實驗室(UL)、美國電氣及電子工程師學會(IEEE)和日本國家標準局(JIS)制定的關于鋰離子電池的安全標準，也有廣泛的影響。這些標準的檢測項目相似，但是測試的條件有所不同。

應用較多、影響范圍較廣泛的國際標準有4個。聯(lián)合國《聯(lián)合國危險物品運輸試驗和標準手冊》(UN 38.3)［2］和IEC 62281:2012《運輸中鋰原電池和電池組及鋰蓄電池和電池組的安全》［3］均側(cè)重于鋰離子電池在運輸中的安全測試和安全要求，主要針對鋰離子電池在運輸過程中的外部環(huán)境及機械振動進行模擬，試驗項目包括高度模擬、溫度試驗、振動、沖擊、外短路、撞擊、過度充電和強制放電等8項，要求電池在測試過程中，應保證包裝不脫落、不變形、無質(zhì)量損失、不漏液、不泄放、不短路、不破裂、不爆炸且不著火。UL 1642:2009《鋰電池》［4］適用于在產(chǎn)品中作電源用的一次(非充電的)和二次(可充電的)鋰電池，標準的目的是減少鋰電池在產(chǎn)品使用時著火或爆炸的危險。標準中關于電池的電性能測試，包括短路試驗、不正常充電試驗和強制放電試驗;機械試驗包括擠壓試驗、撞擊試驗、沖擊試驗和振動試驗;環(huán)境試驗包括熱濫用、溫度循環(huán)試驗、高空模擬試驗和拋射體試驗等。試驗要求，被測電池在試驗過程中不起火、不爆炸、不漏液、不排氣、不燃燒，且包裝不破裂。IEEE 1625:2008《筆記本電腦用可充電電池標準》［5］和IEEE 1725:2006《移動電話用可充電電池標準》［6］主要是對便攜式計算機和蜂窩電話用蓄電池的設計、生產(chǎn)和開發(fā)建立統(tǒng)一的準則，主要涉及電池和電池組有關的電子、物理結(jié)構(gòu)、化學成分、加工流程、質(zhì)量控制及包裝技術(shù)等領域。相對于其他電池標準普遍重視電池或電池組的情況，上述標準分別對電芯、電池、主機節(jié)點、電源附件、消費者和環(huán)境等幾個方面進行了綜合性考慮。這兩項標準均側(cè)重于設計和制造過程，針對電池后期的使用問題，尤其是安全性問題涉及不多。

目前，國內(nèi)外常用的鋰離子電池標準列表歸納于表1。

表1 國內(nèi)外常用的鋰離子電池標準Table 1 The common standards for Li-ion battery of domestic and overseas

2 現(xiàn)有標準的側(cè)重點分析

現(xiàn)行的主要標準可概括為以下幾類:

2.1 主要針對運輸過程中的外部環(huán)境和機械振動

如UN38.3、IEC 62281:2012等，通過高度模擬、溫度試驗、振動、沖擊、外短路和撞擊等測試項目，模擬鋰離子電池在運輸過程中可能發(fā)生的危險，對于鋰離子電池在使用過程中的安全問題涉及較少。

2.2 主要針對設計和制造過程

如IEEE1625、IEEE1725等。以IEEE1725為例，標準將手機鋰離子電池系統(tǒng)分為4個板塊，即電芯、電池組、主機及電池充電器部分，全面明確地對電芯的設計、原材料、制造工藝和成品測試評估等進行了要求，為電芯乃至手機等通信產(chǎn)品的安全性提供可靠評估保障。上述標準主要針對電池的設計和制造過程，對于鋰離子電池后期使用中的安全問題涉及不多。且諸如此類的IEEE鋰離子電池標準，由于對象為不同設備中的鋰離子電池的設計和制造，針對性較強，適用范圍受到一定的限制。

2.3 主要針對鋰離子電池電性能和安全性

如UL1642、GB8897.4等，通過短路、不正常充電、強制放電試驗擠壓、撞擊、沖擊、振動、熱濫用、溫度循環(huán)、高空模擬試驗及拋射體等測試項目，要求被測鋰離子電池在試驗過程中不起火、不爆炸、不漏液、不排氣、不燃燒且包裝不破裂。比較上述兩類標準，此類標準的核心是鋰離子電池的安全性，更注意溫度導致的電池安全風險，但判定依據(jù)難以量化，只能用被測電池的爆炸、起火、冒煙、泄漏、破裂和變形等來區(qū)分，不利于檢出可能存在潛在危險的電池。

3 現(xiàn)有標準的不足

過充過程成為了導致鋰離子電池發(fā)生不安全行為的危險因素:當發(fā)生過充時，由于發(fā)生了不可逆的化學反應，電能轉(zhuǎn)變成熱能，導致電池溫度迅速升高，從而引發(fā)一系列的化學反應。尤其是當散熱性較差時，往往導致比單純的熱沖擊更嚴重的問題，可能發(fā)生電池起火，甚至爆炸。

根據(jù)對現(xiàn)有主要標準的分析不難發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的標準對鋰離子電池安全性能的檢測方法和評判依據(jù)還顯得不足。這些標準中，有部分是針對鋰離子電池的外部環(huán)境和設計制造過程的標準;即便是針對安全性能的標準，也缺少明確的可量化衡量的檢測方法和評判體系，尤其是爆炸、起火、冒煙、泄漏、破裂和變形等判斷依據(jù)，過于寬泛。

迫切需要一種針對鋰離子電池熱效應及電池溫度變化，可定量分析并判定安全風險的檢測方法。近幾年，國內(nèi)外研究者在不斷研究更科學、高效的檢測方法和手段，其中通過對于熱效應及電池溫度方面的研究，取得不少進展［14－15］。通過檢測電池的表面溫度，結(jié)合電化學模型，利用量熱法計算得到電池充電過程中放出的熱量和熱傳導系數(shù)，之后建立熱效應理論模型，可模擬計算電池內(nèi)部的溫度，進而來描述電池的熱行為。人們已經(jīng)建立了多種類型的熱效應模型［16］，但采取的測溫手段主要是傳統(tǒng)的熱電偶測溫法。熱電偶操作比較復雜，且只能有限布點，不能全面地掌握樣品溫度分布;同時，熱電偶還帶有延時性，不能及時反映鋰離子電池的溫度變化情況，不利于建立實時溫度變化曲線［17］。

在理論研究方面，目前，人們傾向于利用理論模擬的方法體現(xiàn)鋰離子電池的熱安全性能，并設計了很多模型，通過分析熱性能來計算，得到鋰離子電池在不同工作環(huán)境下的溫度曲線［18］。這些理論模型的原理是通過測量鋰離子電池的表面溫度來評價內(nèi)部溫度，再與利用熱電偶等方式測出的溫度進行比對，一方面說明理論模型的預判性和正確性;另一方面對安全性進行評價。理論模型的建立可以使學者對于鋰離子電池的熱效應有較全面的認識，但對于安全性能的檢測和評價卻不直觀。

4 結(jié)束語

安全性能已經(jīng)成為鋰離子電池的一個重要指標，成為除成本因素外另一個制約鋰離子電池應用的關鍵指標。由于鋰離子電池的特性，在最初的使用階段并不會顯示出電化學行為的異常。這些潛在的缺陷給判斷鋰離子電池是否合格帶來困難。本文作者歸納和總結(jié)了國內(nèi)外常用的鋰離子電池安全性能檢測標準，通過分析發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)外對鋰離子電池安全性的潛在風險缺乏檢測方法和評判依據(jù)，未形成快速、有效的鋰離子電池安全性檢測方法或篩選方法。

隨著消費者對鋰離子電池電性能及安全性要求的日益提升，各電池制造商以及各國主管部門、行業(yè)協(xié)會等有必要對鋰離子電池安全性能的檢測手段進行研究，建立一套直觀、快速、有效的檢測方法，在現(xiàn)有標準體系的范圍內(nèi)，提高要求，進一步細化標準，明確判定依據(jù)，彌補現(xiàn)有鋰離子電池檢測標準和體系的不足，提高鋰離子電池安全性能檢測水平，保證鋰離子電池行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，維護消費者在電池使用過程中的安全。

［1］TONG Sheng-hua(童生華).透過鋰離子電池安全事件看標準應用現(xiàn)狀［J］.World Standards News(世界標準信息)，2008，7:39－43.

［2］UN 38.3，聯(lián)合國危險物品運輸試驗和標準手冊［S］.

［3］IEC 62281:2012，Safety of primary and secondary lithium cells and batteries during transport［S］.

［4］UL 1642:2009，Lithium Batteries［S］.

［5］IEEE 1625:2008，IEEE standard for rechargeable batteries for multi-cell mobile computing devices［S］.

［6］IEEE 1725:2006，IEEE standard for rechargeable batteries for cellular telephones［S］.

［7］IEC62133:2012，Or portable sealed secondary cells，and for batteries made from them，for use in portable applications［S］.

［8］IEC 61960:2003，Secondary cells and batteries containing alkaline or other non-acid electrolytes secondary lithium cells and batteries for portable applications［S］.

［9］ICAO Doc9284-AN/905，Technical instructions on the safe transport of dangerous goods by air［S］.

［10］UL2054:2009，Household and commercial batteries［S］.

［11］JIS C 8714:2007，Safety tests for portable lithium ion secondary cells and batteries for use in portable electronic applications［S］.

［12］GB/T 18287:2013，蜂窩電話用鋰離子電池總規(guī)范［S］.

［13］GB 8897.4:2008，原電池 第4部分:鋰電池的安全要求［S］.

［14］Al-Hallaj S，Maleki H，Hong J S，et al.Thermal modeling and design considerations of lithium-ion batteries［J］.J Power Sources，1999，83(1－2):1－8.

［15］Ritchie A，Howard W.Recent developments and likely advances in lithium-ion batteries［J］.J Power Sources，2006，162(2):809 －812.

［16］Gomadam P M，White R E，Weidner J W.Modeling heat conduction in spiral geometries［J］.J Electrochem Soc，2003，150(10):A1 339－A1 345.

［17］WANG Qing-song(王青松)，SUN Jin-hua(孫金華)，CHEN Sining(陳思凝).鋰離子電池熱安全性的研究進展［J］.Battery Bimonthly(電池)，2005，35(3):240 －241.

［18］Kim G H，Pesaran A，Spotnitz R.A three-dimensional thermal abuse model for lithium-ion cells［J］.J Power Sources，2007，170(2):476－489.

Brief perception on testing standards of Li-ion battery

CAI Chun-hao， DUAN Ji-yuan，SHOU Xiao-li，YANG Rong-jing

(Shanghai Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau of the People’s Republic of China，Shanghai200135，China)

Domestic and overseas inspection standards for Li-ion battery，such as International Electrotechnical Commission(IEC)，

Institute of Electrical and Electronics Engineers(IEEE)，Underwriter Laboratories Inc.(UL)and China National Standard(GB)were summarized from the scope of application and criterion.The shortages of lack of quantitative indicators of present standards were pointed out.

Li-ion battery; safety performance; testing;standard

TM912.9

A

1001－1579(2015)03－0121－03

蔡春皓(1969－)，男，江蘇人，中華人民共和國上海出入境檢驗檢疫局副局長，研究方向:檢驗監(jiān)管;

段冀淵(1980－)，男，山東人，中華人民共和國上海出入境檢驗檢疫局副處長，工程師，研究方向:檢驗監(jiān)管，本文聯(lián)系人;

壽曉立(1987－)，男，浙江人，中華人民共和國上海出入境檢驗檢疫局科員，助理經(jīng)濟師，研究方向:檢驗監(jiān)管;

楊榮靜(1977－)，女，山東人，中華人民共和國上海出入境檢驗檢疫局副科長，工程師，研究方向:檢驗監(jiān)管。

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2012BAK26B04)

2014－10－29