鋰電池檢測(cè)的安全標(biāo)準(zhǔn)及安全防護(hù)研究

張向倩工程師

(1.應(yīng)急管理部 化學(xué)品登記中心，山東 青島 266071；2.中國(guó)石化青島安全工程研究院，山東 青島 266071)

0 引言

鋰電池產(chǎn)品因其能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)及環(huán)境友好等特點(diǎn)，在消費(fèi)、動(dòng)力、儲(chǔ)能等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而，隨著其應(yīng)用范圍擴(kuò)大和體積能量密度提高，電池火災(zāi)、爆炸等事故頻發(fā)，其安全性備受關(guān)注。為評(píng)估鋰離子電池的安全性，世界各國(guó)和相關(guān)組織致力于制定更科學(xué)、更完善的安全檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，以規(guī)范鋰電池在使用、儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中的安全。目前，國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)、美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室(UL)、日本國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局(JIS)等發(fā)布的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)較為權(quán)威且應(yīng)用廣泛，如UN 38.3-2017[1]、IEC 62133-2017[2]、UL 1642-2017[3]等，對(duì)各國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)具有較強(qiáng)的參考借鑒意義。聯(lián)合國(guó)《關(guān)于危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸?shù)慕ㄗh書(shū)-試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)》中UN 38.3-2017是使用最為廣泛的電池安全測(cè)試方法，側(cè)重于電池在運(yùn)輸過(guò)程中的安全要求。美國(guó)UL 1642-2017適用于在產(chǎn)品中用作電源的一次和二次鋰電池，旨在減少產(chǎn)品使用時(shí)電池著火或爆炸的危險(xiǎn)。歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN 62133-2017和IEC 62133-2017測(cè)試項(xiàng)目一致，主要針對(duì)二次電池本身，未對(duì)電池組及系統(tǒng)保護(hù)電路提出要求。日本主要有日本國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局標(biāo)準(zhǔn)(JIS)和日本電池工業(yè)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)(SBA)。我國(guó)于2015年發(fā)布實(shí)施了關(guān)于便攜式電子產(chǎn)品用鋰離子電池的首個(gè)強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)GB 31241-2014[4]，在電安全、環(huán)境安全、保護(hù)電路以及系統(tǒng)保護(hù)電路等方面做出安全要求。

基于以上背景，本文重點(diǎn)研究了國(guó)內(nèi)外鋰電池安全性能檢測(cè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，歸納分析各標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)試項(xiàng)目異同，對(duì)鋰電池安全性分級(jí)和檢驗(yàn)要求進(jìn)行探討。此外，鑒于電池安全檢測(cè)過(guò)程中可能出現(xiàn)的各種極端異常情況，探討了電池檢測(cè)過(guò)程應(yīng)考慮的安全因素和防護(hù)措施，為開(kāi)展鋰電池安全檢測(cè)提供理論和技術(shù)支撐。

1 鋰電池安全檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 鋰電池安全檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

本文中所提及鋰電池包含鋰金屬(一次)電池和鋰離子(二次)電池，未涉及動(dòng)力鋰電池、儲(chǔ)能鋰電池的安全標(biāo)準(zhǔn)研究。鋰電池安全檢測(cè)一般指按照標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范規(guī)定的項(xiàng)目及相應(yīng)的測(cè)試方法進(jìn)行安全測(cè)試。目前，許多國(guó)家和組織制定了鋰電池檢測(cè)的安全標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范，見(jiàn)表1。

表1中標(biāo)準(zhǔn)為目前應(yīng)用較多、影響范圍較廣泛的國(guó)內(nèi)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。在歐洲，消費(fèi)型鋰離子電池主要按照IEC 62133-2017和IEC 61960-2011進(jìn)行測(cè)試，并要獲得CB或CE認(rèn)證。在美國(guó)，消費(fèi)型鋰離子電池則需獲得UL認(rèn)證，該認(rèn)證所依據(jù)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)采用了美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室制定的UL 1642-2017和UL 2054-2011。UL 1642-2017測(cè)試目的是減少鋰電池在產(chǎn)品使用時(shí)著火或爆炸的危險(xiǎn)。不同的是，IEC 62133-2017只針對(duì)二次電池本身的安全要求，并未對(duì)電池組及系統(tǒng)保護(hù)電路提出安全要求。日本的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)主要按照J(rèn)IS C8714-2017進(jìn)行，并要求電池獲得PSE認(rèn)證。日本所執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)是在國(guó)際通用安全標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，額外增設(shè)了其他測(cè)試項(xiàng)目，其中最具難度和特點(diǎn)的是“電芯強(qiáng)制內(nèi)部短路”測(cè)試。

表1 國(guó)內(nèi)外常用的鋰電池安全檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范

我國(guó)首部鋰離子電池安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 31241-2014參考借鑒了IEC 62133-2017、UN 38.3-2017等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)方法并進(jìn)行了完善，在電安全、環(huán)境安全、保護(hù)電路等方面均提出要求，旨在通過(guò)測(cè)試盡可能排除使用過(guò)程的安全風(fēng)險(xiǎn)，在國(guó)內(nèi)鋰電池行業(yè)具有重要影響力[4，9]。在我國(guó)，手機(jī)、筆記本等電子產(chǎn)品用消費(fèi)型鋰離子電池需按照此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行第三方檢測(cè)，獲取CCC認(rèn)證證書(shū)后方可銷(xiāo)售。

此外，在全世界范圍內(nèi)，電池運(yùn)輸前需按照聯(lián)合國(guó)UN 38.3-2017進(jìn)行危險(xiǎn)品運(yùn)輸安全測(cè)試，并取得空運(yùn)、海運(yùn)或陸運(yùn)鑒定書(shū)，方可交付運(yùn)輸。UN 38.3-2017旨在通過(guò)模擬電池在運(yùn)輸過(guò)程中的外部環(huán)境以及機(jī)械振動(dòng)，考察鋰電池在運(yùn)輸中的安全[1]。

1.2 鋰離子電池的安全檢測(cè)項(xiàng)目

以上標(biāo)準(zhǔn)涉及眾多的檢測(cè)項(xiàng)目，主要為模擬預(yù)期的環(huán)境條件(如高空低壓)或可能的誤使用(如外部短路)情況下對(duì)電池安全性能進(jìn)行檢測(cè)?？蓪㈨?xiàng)目分為電安全測(cè)試、機(jī)械安全測(cè)試和環(huán)境適應(yīng)安全測(cè)試等3大類[10-11]。表2列舉了不同標(biāo)準(zhǔn)中鋰電池測(cè)試項(xiàng)目(注：不含鋰電池組)。

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

注：√代表有此項(xiàng)目；×代表無(wú)此項(xiàng)目

由表2可以看出，目前常用鋰電池安全檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)所要求的測(cè)試項(xiàng)目均包含外部短路、強(qiáng)制放電、擠壓、沖擊、振動(dòng)、熱沖擊、溫度循環(huán)等項(xiàng)目。但對(duì)過(guò)充、內(nèi)部短路、跌落、低氣壓、燃燒噴射等測(cè)試項(xiàng)目要求不同。此外，名稱相同或類似的測(cè)試項(xiàng)目在試驗(yàn)要求和方法并不一定完全相同，例如測(cè)試前樣品的數(shù)量以及荷電狀態(tài)等[12]?？傮w而言，國(guó)內(nèi)強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)GB 31241-2014在考查鋰離子電池的安全性能檢測(cè)中要求更高，是目前國(guó)內(nèi)外最全面的評(píng)估便攜式鋰離子電池的安全標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)提高電池的使用和運(yùn)輸安全具有重要意義，但需要注意地是，在鋰離子電池進(jìn)行海運(yùn)和空運(yùn)時(shí)，仍要按UN 38.3要求進(jìn)行測(cè)試，以保障運(yùn)輸安全[11，13]。

2 鋰電池檢測(cè)的安全風(fēng)險(xiǎn)及危險(xiǎn)分級(jí)

2.1 鋰電池檢測(cè)的潛在危險(xiǎn)

電池安全檢測(cè)試驗(yàn)過(guò)程多為模擬極端工況，由于鋰電池本身的危險(xiǎn)性，電池檢測(cè)過(guò)程也伴隨各類安全風(fēng)險(xiǎn)[14]。例如通過(guò)針刺、過(guò)充、擠壓、高溫和短路等外界因素導(dǎo)致電池內(nèi)部或外部短路，此過(guò)程中電池內(nèi)部副反應(yīng)增多，產(chǎn)生大量熱量，若熱量不能及時(shí)擴(kuò)散，導(dǎo)致熱失控，進(jìn)而使電池發(fā)生破裂等毀壞，并伴隨漏氣漏液、起火，甚至爆炸[15-16]。同時(shí)，電池殼體的破壞會(huì)造成電解液泄漏，內(nèi)部有機(jī)溶劑揮發(fā)性強(qiáng)、極易氣化，味道刺激且大部分為有毒物質(zhì)[17]。此外，電池檢測(cè)過(guò)程還存在來(lái)自振動(dòng)和碰撞等試驗(yàn)過(guò)程的機(jī)械沖擊、噪聲振動(dòng)等危險(xiǎn)[11，18]。

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

根據(jù)聯(lián)合國(guó)《關(guān)于危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸?shù)慕ㄗh書(shū)—試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)》對(duì)危險(xiǎn)品的分類規(guī)則，鋰電池則為第9(雜項(xiàng))危險(xiǎn)品[1]。評(píng)估鋰電池的安全等級(jí)，主要依據(jù)各種危險(xiǎn)發(fā)生的可能性以及危險(xiǎn)發(fā)生后的結(jié)果對(duì)各種危險(xiǎn)現(xiàn)象進(jìn)行分級(jí)[9]。鋰電池檢測(cè)的危險(xiǎn)現(xiàn)象主要包括以下方面：是否有破裂、漏氣、漏液等情況；質(zhì)量是否損失；是否產(chǎn)生爆炸或火災(zāi)等。依據(jù)檢測(cè)結(jié)果的現(xiàn)象，目前標(biāo)準(zhǔn)中主要參考EUCAR(European Council for Automotive R&D)界定汽車(chē)應(yīng)用中的危險(xiǎn)等級(jí)，對(duì)鋰電池檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行危險(xiǎn)分級(jí)[19-20]，見(jiàn)表3。

表3 鋰電池檢測(cè)結(jié)果危險(xiǎn)等級(jí)分級(jí)表[9]

通常情況下，表3中危險(xiǎn)等級(jí)0-4被認(rèn)為危害較小或危險(xiǎn)可控。但可以看出，危險(xiǎn)等級(jí)判斷依據(jù)缺少明確的可量化衡量的指標(biāo)，例如泄漏、起火、爆炸等過(guò)于寬泛。

3 鋰電池檢測(cè)時(shí)的安全防護(hù)

鑒于電池本身及檢測(cè)過(guò)程可能伴隨的高溫、起火及爆炸等安全隱患，采取充分的安全防護(hù)，以保障檢測(cè)過(guò)程中人員和設(shè)備的安全。

3.1 樣品區(qū)

電池樣品存放區(qū)應(yīng)單獨(dú)隔開(kāi)，分為測(cè)試前、測(cè)試中、隔離觀察階段及測(cè)試后待處理樣品存放區(qū)等區(qū)域，設(shè)置為全封閉空間且能承受爆炸沖擊，并設(shè)立監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)備及應(yīng)急處置裝置，如煙霧探測(cè)器、火災(zāi)報(bào)警設(shè)備、自動(dòng)滅火裝備急噴淋裝置[21]。特別需要注意的是，環(huán)境溫度高或絕熱會(huì)增加電池的內(nèi)部故障而加大電池?zé)崾Э氐目赡苄?，因此，?yīng)避免電芯與高熱物體接觸，鋰電池相互間、與熱的燃燒產(chǎn)品及與氧化劑的隔離(熱間隔)是非常重要的[22]。實(shí)驗(yàn)室應(yīng)配備檢測(cè)人員日常的防護(hù)用品如絕緣手套、護(hù)目鏡、口罩以及應(yīng)急處置所需的人員防護(hù)用品，如防爆頭盔、防爆服、防爆面罩等[23]。

3.2 試驗(yàn)區(qū)

電池檢測(cè)工作，特別是擠壓、跌落及針刺實(shí)驗(yàn)極易引起失火、爆炸等安全事故。因此電池檢測(cè)試驗(yàn)場(chǎng)地須分開(kāi)區(qū)域并設(shè)立隔板進(jìn)行防護(hù)，須分為兩個(gè)區(qū)域，一是樣品實(shí)驗(yàn)區(qū)，二是實(shí)驗(yàn)控制區(qū)，同時(shí)兩區(qū)域中間應(yīng)有能承受爆炸沖擊、隔斷煙霧且耐火的隔層，保障檢測(cè)人員的安全。此外，電池進(jìn)行高溫試驗(yàn)的設(shè)備也需進(jìn)行隔離，監(jiān)測(cè)人員應(yīng)離開(kāi)危險(xiǎn)區(qū)域后再進(jìn)行加熱。試驗(yàn)區(qū)應(yīng)有煙霧排出口等，當(dāng)樣品起火、爆炸時(shí)，能夠自動(dòng)釋放壓力、中斷實(shí)驗(yàn)、滅火、排煙等[24]。

4 結(jié)論

安全性能已成為鋰電池的重要指標(biāo)，本文歸納和總結(jié)了國(guó)內(nèi)外常用的鋰電池安全檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)試項(xiàng)目的異同點(diǎn)，同時(shí)基于檢測(cè)過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)，提出應(yīng)設(shè)立的防護(hù)措施，為生產(chǎn)企業(yè)、檢測(cè)及科研機(jī)構(gòu)提供參考。

通過(guò)研究分析發(fā)現(xiàn)，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB 31241-2014在考查鋰離子電池的安全性能檢測(cè)中要求更高，是目前國(guó)內(nèi)外最全面的評(píng)估便攜式鋰離子電池的安全標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)提高電池的使用和運(yùn)輸安全具有重要意義。但目前標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)電池的安全風(fēng)險(xiǎn)缺乏可量化衡量的評(píng)判依據(jù)，是檢測(cè)機(jī)構(gòu)和科研工作者應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的方向。