鋰電池自然貯存可靠性研究

李坤蘭，王朋，李勁

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 511370；2. 752 廠，武漢 430000）

前言

隨著設(shè)備小型化的發(fā)展，對電池提出了更高的要求。而鋰電池以自放電率極低、放電電壓十分平緩，使得鋰電池進入了大規(guī)模使用階段。

鋰電池廣泛應(yīng)用于手機、筆記本電腦、電動工具、電動車、路燈備用電源、航燈、家用小電器上，同時，在軍事裝備及工業(yè)領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用，包括軍用電子設(shè)備、導(dǎo)彈、水中兵器、無人機、聲納及各類雷、彈的電源等。尤其適合于對電壓平臺和電壓精度要求高、長儲后使用及高寒地區(qū)（-40 ℃以下）等需要高脈沖電流的設(shè)備中使用[1]。

電池作為設(shè)備能源的來源，對于設(shè)備至關(guān)重要。因此研究電池的可靠性也是非常重要的?，F(xiàn)階段處于和平時期，設(shè)備將在一段時期內(nèi)處于貯存狀態(tài)，因此電池的貯存可靠性就顯得更為重要。高貯存可靠性的電池，是設(shè)備工作及安全的保障。因此，很有必要研究電池的貯存可靠性。

1 鋰電池的自然貯存試驗

8 個型號的鋰電池共320 只樣品在廣州開展了為期7年的自然環(huán)境下無替換的長期貯存試驗。跟蹤監(jiān)測的性能參數(shù)有開路電壓、負荷電壓、滯后時間等。試驗中，每次檢測樣品時，對所有樣品的開路電壓都需進行監(jiān)測。取出8 只樣品對其進行負荷電壓、滯后時間等的監(jiān)測，測試完成后，這8 只樣品不參加后續(xù)試驗，依次類推，直至第4 年。剩余的樣品在第7 年進行性能監(jiān)測。參加貯存試驗的鋰電池試驗樣品詳情見表1。

表1 鋰電池長期貯存試驗樣品一覽表

2 貯存失效模式研究

貯存失效模式是指產(chǎn)品貯存失效的表現(xiàn)形式。研究貯存失效模式目的在于通過分析當(dāng)前和以往過程的失效模式數(shù)據(jù)，以防止這些失效模式將來再發(fā)生。從而針對設(shè)計上可靠性的弱點，提出對策；改進產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性與安全性等。

2.1 從貯存的各個測試時間點上分析

從貯存的各個測試時間點上來看，貯存84 個月期間，各個測試時間點出現(xiàn)了開壓偏低、無電壓這兩種失效模型，見表2。

表2 貯存84 個月期間各測試點的失效情況

由表2 可知，鋰電池的主要貯存失效模式有開壓偏低、無電壓兩種失效模式。其中開壓偏低的失效模式比無電壓的失效模式更為普遍。

2.2 從貯存的型號上分析

分析研究了8 個型號鋰電池在84 個月的貯存試驗期間的不同失效模式及其失效樣品數(shù)，結(jié)果見表3。

表3 鋰電池不同貯存失效模式詳情表（單位：只）

由表3 可知，鋰電池的主要貯存失效模式有開壓偏低、無電壓兩種失效模式。其中開壓偏低的失效模式比無電壓的失效模式更為普遍。

綜上所述，鋰電池的主要貯存失效模式有開壓偏低、無電壓兩種失效模式。

3 累積失效樣品數(shù)變化趨勢研究

對貯存84 個月的貯存測試數(shù)據(jù)進行了整理、分析、研究，并將失效樣品數(shù)隨貯存時間的變化趨勢作圖如圖1 。

圖1 失效樣品數(shù)隨貯存時間的變化趨勢

由圖1 可知，除ER48-Z 貯存84 個月后未出現(xiàn)失效樣品，其余7 個型號均有失效樣品，其中，ER13-Q、ER12-R、ER28-J、WR34-P、ER14-Y 等5 個型號的鋰電池在48 個月的貯存期間，未出現(xiàn)失效樣品，且均在貯存48 個月后，失效樣品數(shù)劇增。由此可見，這8 個型號的鋰電池中，貯存可靠性最好的是ER48-Z。ER13-Q、ER12-R、ER28-J、WR34-P、ER14-Y 等5 個型號的鋰電池貯存壽命是48 個月；型號為ER48-Z 的鋰電池的貯存壽命超過84 個月，能夠滿足設(shè)備長壽命的需求。

4 貯存壽命表征參數(shù)研究

影響產(chǎn)品貯存壽命的性能參數(shù)稱為貯存壽命表征參數(shù)。貯存壽命是產(chǎn)品滿足規(guī)定要求的時間長度。產(chǎn)品的參數(shù)有質(zhì)量特性參數(shù)、動態(tài)特性參數(shù)、可靠性參數(shù)等，但主要是產(chǎn)品的性能參數(shù)，這類參數(shù)通常較多。貯存壽命表征參數(shù)是貯存過程中會發(fā)生變化的性能參數(shù)。性能參數(shù)的變化蘊含了產(chǎn)品的壽命特征。因此研究產(chǎn)品的貯存壽命表征參數(shù)意義重大[2]。

通過分析研究貯存試驗期間參數(shù)超差的失效樣品的測試數(shù)據(jù)以及性能參數(shù)的退化率，可得出各種電容器的貯存敏感參數(shù)，見表4。

表4 開路電壓和負荷電壓的退化率研究

由表4 可知，這8 個型號的鋰電池均有負荷電壓的退化率比開路電壓的要大。退化得最快的是ER17-W，達到了0.5143；退化得最慢的ER12-R，只有0.0757。因此，鋰電池的壽命特征參數(shù)是負荷電壓。從退化率的角度來說，性能最好的是型號為ER12-R 的鋰電池，最差的是型號為ER17-W 的鋰電池。在要求放電平穩(wěn)的場合，盡量選用型號為ER12-R 的鋰電池。

5 貯存可靠性研究

貯存可靠性是產(chǎn)品在規(guī)定的貯存條件下和規(guī)定的貯存時間內(nèi)，保持規(guī)定功能的能力。其概率度量為貯存可靠度。

可靠性指標(biāo)有可靠度（R）、失效率（λ）等，其計算公式如下。

1）貯存可靠度計算公式為[3]：

式中：

n—每型號元器件儲存試驗的參試數(shù)；

r—失效的元器件數(shù)。

2）失效率的計算公式為[4]：

式中：

f—每一型號元器件貯存試驗期間的累積失效樣品數(shù)；

t—總試驗時間。

若在貯存試驗中未出現(xiàn)失效樣品時，其失效率的計算公式為：

式中：

0.916 —置信度為60 %、自由度為2 時的x2值；

t—總試驗時間。

8 個型號鋰電池試驗樣品的貯存可靠度、失效率的計算結(jié)果見表5。

表5 鋰電池貯存可靠性一纜表（時間單位：月）

由表5 可知，貯存48 個月時，有6 個型號的鋰電池的可靠度為1，能夠滿足工程的需要。貯存84 個月后，型號為ER48-Z 的鋰電池的可靠度仍為1，另外還有ER12-R、ER13-Q、WR34-P 等3 種鋰電池的可靠度大于0.9，說明這些鋰電池的可靠度都很高。

6 結(jié)論

1）鋰電池的主要貯存失效模式有開壓偏低、無電壓兩種失效模式。其中開壓偏低的失效模式比無電壓的失效模式更為普遍。

2）ER13-Q、ER12-R、ER28-J、WR34-P、ER14-Y等5 個型號的鋰電池貯存壽命是48 個月。

3）這8 個型號的鋰電池中，貯存可靠性最好的是ER48-Z。

4）型號為ER48-Z 的鋰電池的貯存壽命超過84 個月，能夠滿足設(shè)備長壽命的需求。

5）鋰電池的壽命特征參數(shù)是負荷電壓。

6）從退化率的角度來說，性能最好的是型號為ER12-R 的鋰電池，最差的是型號為ER17-W 的鋰電池。在要求放電平穩(wěn)的場合，盡量選用型號為ER12-R 的鋰電池。

7）貯存84 個月后，型號為ER48-Z 的鋰電池的可靠度仍為1，另外還有ER12-R、ER13-Q、WR34-P 等3種鋰電池的可靠度大于0.9，說明這些鋰電池的可靠度都很高。