鋰電池檢測(cè)的安全分級(jí)和安全標(biāo)準(zhǔn)探討

趙海波籍芳徐文燕葉長(zhǎng)青姜春寶

（1.惠州出入境檢驗(yàn)檢疫局 廣東惠州 516006；2.江門(mén)出入境檢驗(yàn)檢疫局）

鋰電池檢測(cè)的安全分級(jí)和安全標(biāo)準(zhǔn)探討

趙海波1籍芳2徐文燕1葉長(zhǎng)青1姜春寶1

（1.惠州出入境檢驗(yàn)檢疫局 廣東惠州 516006；2.江門(mén)出入境檢驗(yàn)檢疫局）

分析了鋰電池檢測(cè)的安全并進(jìn)行了分級(jí)；對(duì)比分析了目前常用的國(guó)內(nèi)外鋰電池安全標(biāo)準(zhǔn)，著重分析了新國(guó)標(biāo)GB31241的重點(diǎn)項(xiàng)目，并就實(shí)際檢測(cè)中遇到的問(wèn)題進(jìn)行了探討。

電池檢測(cè)；安全分級(jí)；安全標(biāo)準(zhǔn)

1 前言

過(guò)去20多年，可充電鋰電池技術(shù)迅猛發(fā)展，并以其卓越的性能已經(jīng)成為現(xiàn)代生活中必不可缺的部分。但是，隨著其應(yīng)用范圍的逐漸擴(kuò)大以及單個(gè)電池的體積能量密度越來(lái)越高，容量越來(lái)越大，發(fā)生的爆炸事故越來(lái)越多，其安全性能越來(lái)越受到人們的關(guān)注。近年來(lái)，針對(duì)鋰電池安全的檢測(cè)手段越來(lái)越成熟，國(guó)際和國(guó)內(nèi)都相繼推出了多個(gè)安全性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，如日本JIS C8714的強(qiáng)制內(nèi)部短路試驗(yàn)，IEC的上下限溫度測(cè)試試驗(yàn)等，我國(guó)也已經(jīng)制訂出新的鋰電池強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)。本文分析了鋰電池檢測(cè)的安全并進(jìn)行了分級(jí)，對(duì)比分析了國(guó)內(nèi)外鋰電池檢測(cè)安全標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)新國(guó)標(biāo)的檢測(cè)方法進(jìn)行了探討。

2 鋰電池檢測(cè)的安全及危險(xiǎn)分級(jí)

2.1安全

鋰電池的安全性不僅指在各種測(cè)試條件下不出現(xiàn)起火、爆炸等現(xiàn)象，最為重要的是要確保使用者在電池濫用的條件下不受到傷害。鋰電池標(biāo)準(zhǔn)中，如IEC 62133和GB/T 28164，對(duì)鋰電池試驗(yàn)結(jié)果的各種現(xiàn)象都有明確的定義，如泄露、泄氣、破裂、爆炸、起火等。

鋰電池在使用過(guò)程中，不斷通過(guò)化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生定向流動(dòng)的電子從而提供持續(xù)能量，在其化學(xué)反應(yīng)中會(huì)伴隨著熱量的產(chǎn)生。如果熱量不能及時(shí)擴(kuò)散，會(huì)導(dǎo)致熱失控，熱失控會(huì)使電池發(fā)生毀壞，如猛烈的泄氣、破裂并伴隨著火。鋰電池出現(xiàn)熱失控的原因有如下幾種［1］：

（1）隔離鋰離子電池負(fù)極和正極的隔膜出現(xiàn)撕裂會(huì)導(dǎo)致短路，而短路往往又會(huì)引起熱崩潰；

（2）環(huán)境溫度過(guò)高導(dǎo)致化學(xué)不穩(wěn)定；（3）其他濫用操作等。

2.2危險(xiǎn)分級(jí)

根據(jù)聯(lián)合國(guó)《關(guān)于危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸?shù)慕ㄗh書(shū)》對(duì)危險(xiǎn)品的分類規(guī)則，內(nèi)含強(qiáng)酸性或強(qiáng)堿性電解液的電池產(chǎn)品為第8類（腐蝕性）危險(xiǎn)品，鋰電池則為第9（雜項(xiàng)）危險(xiǎn)品。電池產(chǎn)品安全檢測(cè)項(xiàng)目分為：

（1）預(yù)期的環(huán)境條件或使用：高空模擬、溫度循環(huán)、振動(dòng)、低倍率充電等；

（2）可合理預(yù)見(jiàn)的誤使用：外部短路、重物沖擊、擠壓、機(jī)械沖擊、自由跌落、強(qiáng)制放電、非正常充電、熱濫用、不正確的安裝、過(guò)放電、過(guò)充電、高倍率充電等［2］。

評(píng)估鋰電池檢測(cè)的安全等級(jí)，首先要對(duì)各種危險(xiǎn)現(xiàn)象進(jìn)行分級(jí)，主要依據(jù)各種危險(xiǎn)發(fā)生的可能性以及此危險(xiǎn)發(fā)生后的結(jié)果。電池的危險(xiǎn)主要分為：化學(xué)危險(xiǎn)、電氣危險(xiǎn)、累積的化學(xué)和電氣危險(xiǎn)、高壓危險(xiǎn)（＞60 V）、電池失效的危險(xiǎn)等?；瘜W(xué)危險(xiǎn)是指溢出電解質(zhì)或析出化學(xué)氣體；電氣危險(xiǎn)是指充放電過(guò)程中產(chǎn)生的電氣危害；累積的化學(xué)和電氣危險(xiǎn)主要是指可能產(chǎn)生著火、惰性或有害氣體產(chǎn)生、濺射物，其根本原因就是熱失控。

對(duì)于鋰電池產(chǎn)品的檢測(cè)，其現(xiàn)象主要包括以下可能：質(zhì)量是否損失；是否有泄漏、泄氣、短路、破裂等情況；是否會(huì)產(chǎn)生爆炸或火災(zāi)等。依據(jù)以上現(xiàn)象，參考EUCAR（European Council for Automotive R&D）界定汽車應(yīng)用中的危險(xiǎn)等級(jí)，對(duì)鋰電池檢測(cè)結(jié)果的各種危險(xiǎn)進(jìn)行分級(jí)［3］，見(jiàn)表1。

表1中危險(xiǎn)等級(jí)1-4通常被認(rèn)為是安全的。

表1　鋰電池檢測(cè)結(jié)果危險(xiǎn)等級(jí)分級(jí)表

3 鋰電池安全標(biāo)準(zhǔn)介紹

3.1常用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)

鋰電池安全標(biāo)準(zhǔn)是指確定一些關(guān)鍵安全項(xiàng)目并規(guī)定相應(yīng)的測(cè)試方法來(lái)確認(rèn)鋰電池是否具有足夠的安全性。許多國(guó)家和國(guó)際組織都已制定了鋰電池產(chǎn)品的安全標(biāo)準(zhǔn)，目前采用較多的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)有：

（1）中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：GB31241［4］，GB/T18287［5］；

（2）IEC標(biāo)準(zhǔn)：IEC62133Edition2.0便攜式和便攜式設(shè)備用密封含堿性或其他非酸性電解液二次電芯和電池（Secondary cells and batteries containing alkaline or other non-acid electrolytes-Safety requirements for portable sealed secondary cells，and for batteries made from them，for use in portable applications）［6］；

（3）UN標(biāo)準(zhǔn)：UN38.3［7］；

（4）JIS標(biāo)準(zhǔn)：JIS C8714［8］；

（5）UL標(biāo)準(zhǔn)：UL1642Ed4鋰電池（Lithium Batteries）［9］；UL2054Ed2民用和商用電池（Household and Commercial Batteries）［10］。

3.2安全測(cè)試項(xiàng)目

上述標(biāo)準(zhǔn)都有與電池濫用相關(guān)的安全測(cè)試項(xiàng)目，表2為不同標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試項(xiàng)目對(duì)比表。需要指出的是，名稱相同或類似的測(cè)試工序并不一定完全按照同樣方法進(jìn)行檢測(cè)，例如測(cè)試前的充電狀態(tài)或者樣品數(shù)量等。

表2　鋰電池安全檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目對(duì)比表

從表2可以看出，不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電池的檢測(cè)各有側(cè)重，例如：IEC62133和JIS C8714要求側(cè)重于產(chǎn)品使用安全和環(huán)境適應(yīng)性安全；UL2054和UL1642則全面考察電芯和電池在各種使用環(huán)境下，包括故障條件、重壓條件和燃燒條件下的安全性；GB31241在GB/T18287基礎(chǔ)上更加強(qiáng)調(diào)鋰電池或鋰電池組的安全性；GB/T18287不僅包含了部分安全檢測(cè)項(xiàng)目，還涵蓋了性能測(cè)試。

上述標(biāo)準(zhǔn)中多數(shù)安全測(cè)試項(xiàng)目的目的是驗(yàn)證鋰電池在電氣機(jī)械類應(yīng)力或其他環(huán)境條件下的安全性，主要分為兩個(gè)類型：一是可合理預(yù)見(jiàn)的誤使用，主要是對(duì)鋰電池的穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試，包括溫度濫用試驗(yàn)、機(jī)械濫用試驗(yàn)、電氣類濫用試驗(yàn)等。例如溫度濫用測(cè)試，溫度通常設(shè)置在鋰電池電解液最活躍的130℃-150℃范圍內(nèi)，暴露時(shí)間10-60 min。二是預(yù)期的環(huán)境條件或使用，主要是驗(yàn)證電池的穩(wěn)定性與其應(yīng)用環(huán)境的兼容性。此類測(cè)試的關(guān)注點(diǎn)主要是鋰電池在環(huán)境條件下的應(yīng)力反應(yīng)，例如模擬汽車運(yùn)輸過(guò)程中的振動(dòng)試驗(yàn)。除了個(gè)別項(xiàng)目，上述標(biāo)準(zhǔn)中的測(cè)試項(xiàng)目大部分都與濫用試驗(yàn)有關(guān)。

4 GB31241-2014標(biāo)準(zhǔn)探討

4.1適用范圍

GB31241-2014作為國(guó)內(nèi)第一個(gè)鋰電池安全標(biāo)準(zhǔn)，將于2015年8月強(qiáng)制實(shí)施，適用于“便攜式電子產(chǎn)品”用的鋰離子電池。電子產(chǎn)品主要包括以下4種：音視頻設(shè)備、信息技術(shù)設(shè)備、通信技術(shù)設(shè)備和測(cè)量控制設(shè)備。IEC62133的中則規(guī)定是“便攜式設(shè)備”的鋰離子電池，便攜式設(shè)備主要包括：便攜式電子設(shè)備、便攜式電動(dòng)工具、便攜式家電等。而UL1642標(biāo)準(zhǔn)適用于對(duì)含有鋰金屬的電池。

4.2新增安全測(cè)試項(xiàng)目

GB31241標(biāo)準(zhǔn)遵循IEC安全導(dǎo)則104的規(guī)定，積極參考借鑒如UN、IEC、UL等多項(xiàng)國(guó)外電池標(biāo)準(zhǔn)中成熟的安全測(cè)試項(xiàng)目，充分考慮影響鋰離子電池安全性的因素，并且考慮到我國(guó)用戶的使用習(xí)慣［11］。在與運(yùn)輸相關(guān)的試驗(yàn)條件和試驗(yàn)順序上，盡量與IEC62281和UN38.3相同。對(duì)于部分安全項(xiàng)目，進(jìn)行了修改完善，如熱濫用、外部短路、跌落、過(guò)充電等項(xiàng)目。標(biāo)準(zhǔn)還補(bǔ)充了保護(hù)電路、標(biāo)識(shí)耐久性等要求，特別是針對(duì)電池組的保護(hù)電路首次提出了相應(yīng)的安全要求和具體測(cè)試方法。該標(biāo)準(zhǔn)還充分針對(duì)我國(guó)用戶的使用習(xí)慣，增加了洗滌等安全測(cè)試項(xiàng)目，它是目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于便攜式鋰離子電池最為全面的安全標(biāo)準(zhǔn)。

GB31241標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)鋰離子電池芯、電池組規(guī)定了在正常使用、合理可預(yù)見(jiàn)的誤用和濫用條件下的電安全、環(huán)境安全、機(jī)械安全的要求和測(cè)試方法。根據(jù)測(cè)試指標(biāo)，電池組的測(cè)試項(xiàng)目中除了包含常規(guī)的一般安全要求（安全工作參數(shù)、標(biāo)識(shí)要求、警示說(shuō)明、耐久性），還包括對(duì)電池組環(huán)境試驗(yàn)、電池組電安全試驗(yàn)、電池組保護(hù)電路安全測(cè)試要求、系統(tǒng)保護(hù)電路安全要求等30多項(xiàng)測(cè)試。

通過(guò)表2與其他標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比，GB31241相對(duì)于IEC62133和UL1642標(biāo)準(zhǔn)，新增加的項(xiàng)目主要是洗滌、靜電測(cè)試、保護(hù)電路等。

4.2.1洗滌

洗滌主要是針對(duì)我國(guó)用戶習(xí)慣，因洗衣機(jī)誤洗電池而制定的洗滌安全要求，此試驗(yàn)項(xiàng)目屬于濫用試驗(yàn)。該項(xiàng)目為各類電池標(biāo)準(zhǔn)中首次涉及，通過(guò)此項(xiàng)目驗(yàn)證各類手持或便攜類鋰電池在洗滌之后是否能繼續(xù)使用，如有“電池浸水后禁止使用！”警示說(shuō)明，可免做此項(xiàng)。

4.2.2靜電

靜電測(cè)試于2013版GB/T18287第一次被采用，相對(duì)于IEC62133和UL1642標(biāo)準(zhǔn)，GB31241繼續(xù)采納此項(xiàng)目。靜電測(cè)試主要是檢測(cè)電池保護(hù)板是否能經(jīng)受住靜電的檢驗(yàn)。電池不接地線，被測(cè)電池不能如I類電氣設(shè)備自行放電；若在下一個(gè)靜電放電脈沖施加前電荷未消除，被測(cè)電池上的電荷累積可能使電壓為預(yù)期試驗(yàn)電壓的兩倍；經(jīng)過(guò)幾次靜電放電累積，被測(cè)物可能充電至異常高，然后以高能量在絕緣擊穿電壓處放電。為模擬單次靜電放電（氣隙放電或接觸放電），在施加每個(gè)靜電放電脈沖之前應(yīng)消除被測(cè)電池上的電荷。

4.2.3保護(hù)電路

保護(hù)電路主要采用熔斷器作為過(guò)流保護(hù)器件，可保護(hù)鋰離子充電電池在充電或放電過(guò)程中的大電流及短路而造成電池的損害。新國(guó)標(biāo)GB31241-2014中電池組電安全試驗(yàn)、電池組保護(hù)電路安全要求和系統(tǒng)保護(hù)電路安全等電氣安全試驗(yàn)都涉及到保護(hù)電路的檢測(cè)。圖1為電池組做高壓充電保護(hù)280次的試驗(yàn)圖譜；圖2為耐高壓試驗(yàn)中電池保護(hù)板被擊穿，失去作用，鋰電池過(guò)充的圖片。

從圖2上可以看出，進(jìn)行此類試驗(yàn)，當(dāng)保護(hù)板失去保護(hù)功能時(shí)，電池有爆炸的危險(xiǎn)，因此應(yīng)于防爆試驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行此類試驗(yàn)。

圖1　鋰電池高壓充電保護(hù)試驗(yàn)圖譜

圖2　鋰電池耐高壓試驗(yàn)保護(hù)板被擊穿過(guò)充圖

5 結(jié)論

通過(guò)分析鋰電池檢測(cè)中的各種危險(xiǎn)現(xiàn)象，將鋰電池檢測(cè)的安全分成8個(gè)等級(jí)，能更具體地劃分出鋰電池試驗(yàn)的安全性或危險(xiǎn)性。對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外鋰電池安全標(biāo)準(zhǔn)的側(cè)重點(diǎn)，著重探討GB31241中洗滌、靜電測(cè)試、保護(hù)電路等新項(xiàng)目，及實(shí)際檢測(cè)中應(yīng)注意的要點(diǎn)，可為生產(chǎn)企業(yè)、檢測(cè)機(jī)構(gòu)提供相關(guān)的檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)。GB31241標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，檢測(cè)中會(huì)發(fā)現(xiàn)不同的問(wèn)題點(diǎn)，只有解決這些問(wèn)題，才能保證鋰電池檢測(cè)的安全。

［1］Studies of Gas and Heat Generation in Lithium-ion Cells during Thermal Abuse，Sandia National Laboratories，Power SourcesTechnologyGroup，Albuquerque，NM87185USA HBC 2003.

［2］杜飛，戴雪偉，甘紅勝，等.電池檢測(cè)安全性系統(tǒng)研究［J］.檢驗(yàn)檢疫學(xué)刊，2012，3：1-3.

［3］Levy S C，Bro P.Battery Hazards and Accident Prevention Plenum Press［M］.New York and London，ISBN 0-306-44758-4（1994）.

［4］GB 31241-2014便攜式電子產(chǎn)品用鋰離子電池和電池組安全要求［S］.

［5］GB/T 18287-2013移動(dòng)電話用鋰離子蓄電池及蓄電池組總規(guī)范［S］.

［6］IEC 62133：2012 Secondary cells and batteries containing alkaline or other non-acid electrolytes-Mechanical tests for sealed portable secondary cells and batteries［S］.

［7］United Nations.Recommendations on the Transport of Dangerous Goods-Model Regulations［M］.18th ed.New York：United Nations Publications，2013，185-295.

［8］JIS C 8714 Safety tests for portable Lithium Ion secondary cells and batteries for use in portable electronic applications［S］.

［9］UL1642 REV.5.Standard for Lithium Batteries［S］.

［10］UL 2580-2011 Batteries for use in electric vehicles［S］.

［11］何鵬林，郭子綺，孫建波.鋰離子電池安全標(biāo)準(zhǔn)GB31241-2014淺析［J］.中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)報(bào)，2015，3：26-29.

Safety Classification of Lithium Battery Detection and Discussion of Lithium Battery Safety Standards

Zhao Haibo1，Ji Fang2，Xu Wenyan1，Ye Changqing1，Jiang Chunbao1
（1.Huizhou Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau，Huizhou，Guangdong，516006；2.Jiangmen Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau）

The safety and classification of detecting lithium battery is analyzed and classified.The safety standards at home and abroad are compared.The important items of GB31241 and the problems of actual detection are explored.

Battery Detection；Safety Classification；Safety Standard

TM912.9

E-mail：56086240@qq.com

國(guó)家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃項(xiàng)目（2015IK73）

2015-07-06