IEC 62281草案对锂电池运输安全的要求

林佩云,金 苗,孟良荣

(1.苏州大学化学电源研究所,江苏苏州 215006；2.全国原电池标准化技术委员会秘书处,江苏苏州 215006)

锂电池具有工作电压高、比能量大、无污染等优点,已被广泛使用。锂电池存在一些安全问题,在使用和运输的过程中出现过爆炸、燃烧等事故。为了保证使用和运输安全,国内外制定了相关的锂电池安全标准。这些标准在检测项目和技术要求上多是相同或相似的,但也存在不协调之处。目前,国际电工委员会原电池技术委员会(IEC/TC35)与碱性和非酸性蓄电池技术委员会(IEC/TC21A)组成的联合工作组正在对它们联合制定的标准IEC 62281《锂原电池和蓄电池在运输中的安全要求》第1版[1](简称IEC 62281 Ed.1)进行修订,并于2011年5月在爱尔兰的都柏林召开了工作会议(简称工作会议),讨论了各国对IEC 62281《锂原电池和蓄电池在运输中的安全要求》第2版草案[2](简称IEC 62281 Ed.2草案)的意见,给出了处理结果,我国的电池专家参加了本次会议。

IEC 62281的主要内容包括锂原电池和蓄电池的术语和定义、安全要求、型式检验、抽样和重新检验、检验方法和要求及标志等,本次修订的重点是与《联合国专家委员会关于危险品的运输建议书试验和标准手册》第38.3章(简称UN38.3)修改的内容[3]协调。本文作者解析了IEC 62281 Ed.2草案与IEC 62281 Ed.1的差异及存在争议的问题。

1 增加的项目

增加的“4.2质量管理”涉及 9个方面的要求,要求制造商须在组织结构、人员职责、质量控制、质量保证、质量记录、文件控制、管理评审、人员的培训和授权等方面进行规定,并按质量管理计划生产,以保证电池的质量。

在工作会议上,各国专家对是否增加该条款的意见存在分歧,反对者担心此条款会被标准执行机构当作附加的强制审核的内容,因此对此未达成一致意见,交联合工作组研究、确定。

2 修改的项目

2.1 电池类型的划分方法及对电池组的定义

2.1.1 电池类型的划分方法

在IEC 62281 Ed.2草案中,对电池类型的划分更细致,将锂原电池和锂蓄电池区别开来,规定当锂原电池的电极或电解质的质量差大于0.1 g,或超过质量的20%时,或当锂蓄电池的标称能量差大于20%,或标称电压的增加超过20%时,则属不同的检验类型,应进行所要求的检验。

如果存在着电池材料、保护装置、安全设计、电池内电芯数量、电芯连接方式或其他的差异,可能导致任何一项检测不合格时,也属不同的检验类型。

2.1.2 关于电池和电池组的定义

IEC 62281标准中几个和“电池”相关的单词或词组cell、component cell、battery及battery assembly中文分别翻译为单体电池(电芯)、单元电池(单元电芯)、电池及电池组。在IEC 62281 Ed.2草案中,对前3个词都有定义,但对 battery assembly没有定义。事实上,这个词在国内理解不一致,存在争议。为此,我国提出应在标准中增加对battery assembly的定义。工作会议采纳了我国的意见,在标准中给battery assembly增加了注释:Battery assembly is battery comprising two or more component cells or batteries。Battery的定义为:one or more cells electrically connected and fitted in a case,with terminals,markings and protective devices etc.,as necessary for use。可以看出,battery assembly和battery的定义有交叉。即当电池是由两个或两个以上的电池(battery)组成时,称之为battery assembly；但当电池是由两个或两个以上的单元电芯(component cell)组成时,既可以称为battery assembly,也可以称为battery。本文作者认为:IEC/TC35、IEC/TC21A以及联合国专家委员会等组织,应推敲、修改battery和battery assembly的定义,避免定义交叉、混淆。

2.2 检测样品的数量及检测条件

IEC 62281 Ed.2草案对“型式检验、抽样和重新检验”这一章进行了很大的修改。

2.2.1 对电池组Battery assemblies的检验

IEC 62281Ed.2草案将电池组Battery assemblies分为3类,对不同类别的电池组检测要求不同。

电池组中的蓄电池Secondary batteries for use in battery assemblies:指设计为仅用于装配电池组的蓄电池。这种蓄电池本身不配备过充保护,由电池组提供过充保护。此类电池不做过充电T7检验。

小电池组 Small battery assemblies:指完全荷电时,电池所有阳极(负极)的总锂量不超过500 g的电池组,或标称能量不超过6 200 Wh的锂离子电池组,电池组内装配的电池(batteries)已经通过了适用的检验项目。完全荷电的电池组需要进行振动T3、冲击T4和外部短路T5等检验,蓄电池组还要进行过充电T7检验。蓄电池组至少要进行25次循环检验。

大电池组 Large battery assemblies:指电池总锂量超过500 g的电池组,或标称能量超过6 200 Wh的锂离子电池组。这类电池组在下列情况下不需要进行检验:①电池组由已经通过了所有适用检验的电池(batteries)连接组成；②电池组具备以下系统能力:监控电池组,防止电池组内电池间的短路和过放电,防止电池组过热或过充电。

2.2.2 抽样和型式检验项目

IEC 62281 Ed.2草案中抽样和型式检验的方案较IEC 62281 Ed.1有较大的变更,型式检验样品数量见表1。

表1 原电池型式检验的样品数量[2]Table 1 Number of primary cells and batteries for type testing[2]

在IEC 62281 Ed.1中,T6项目圆柱形电池检验5只电池,矩形电池检验10只电池；IEC 62281 Ed.2草案修改为均检验5只电池。挤压是新增的检验,根据电池类型选择检验方法。

IEC 62281 Ed.2草案将锂蓄电池按大小进行分类检验,对样品的放电状态和样品数量都做了很大的修改,修改后的蓄电池型式检验项目和样品数量见表2。

大电池T1—T5及T7检验的样品数由4只减为2只；50次循环后的检验改为25次循环后的检验。

表2 蓄电池型式检验的样品数量[2]Table 2 Number of secondary cells and batteries for type testing[2]

2.3 “泄漏”的定义及评判标准

在IEC 62281 Ed.1中,“泄漏”和“质量损失”是两项要求,两项评判指标,IEC 62281 Ed.2草案将这两项要求合并为“泄漏”一项,并且对“泄漏”的定义和评判标准做了修改。“泄漏Leakage”的新定义为:在检验过程中从电池内漏出目视可见的电解质或其他物质,或者电池的质量损失超过了表3所规定的极限值(不包括电池外套、操作装置或商标的质量损失)。

表3 质量损失的极限值[2]Table 3 Mass loss limits[2]

在IEC 62281 Ed.1中,电池质量分类的第2类和第3类分别为1 g＜m≤5 g和 m＞5 g,现改为1 g＜m≤75 g和 m＞75 g,而质量损失极限没有变更,这个修改对5 g以上电池的质量损失的要求较之前严格了。

2.4 热冲击的检验方法

热冲击检验的高温温度由原来的75℃改为72℃。

2.5 振动的检验方法

IEC 62281 Ed.2草案对振动检验的方法做了修订。在IEC 62281 Ed.1中,不论是电芯、小电池,还是大电池,加速度幅度a2和交越点频率 f3均为8 gn和约49.84 Hz,新草案修改了大电池检验的加速度幅度a2和交越点频率 f3的参数。修改后的振动检验参数见表4。

表4 振动波形(正弦曲线)[2]Table 4 Vibration profile(sinusoidal)[2]

表4中:f1、f4为下限、上限频率,f2、f3为交越点频率,f2≈17.62 Hz,f3≈49.84 Hz(对于电芯和小电池),f3≈24.92 Hz(对于大电池)；a1、a2为加速度幅度,a2=8 gn(对于电芯和小电池),a2=2 gn(对于大电池)；s为位移幅度。

2.6 检验项目:撞击/挤压

IEC 62281 Ed.1和原 UN38.3中都只有“撞击”而没有“挤压”检验。IEC 62281 Ed.2草案规定,矩形、袋形、扣式(硬币式)电池及直径小于20 mm的圆柱形电池以“挤压”检验取代“撞击”检验,直径大于20 mm的圆柱形电池仍采用“撞击”检验。

IEC 62281 Ed.2草案中的“挤压”与IEC 60086-4《原电池 第 4部分 锂电池的安全要求》的“挤压”方法相似,但又有不同[4]:规定了挤压力的误差±0.78 kN；矩形电池与其他形状的电池一样,只挤压一个方向；终止条件增加了两项,共3项:①挤压力达到 13±0.78 kN；②电池变形超过50%(新增)；③电池电压下降100 mV(新增)。

有专家在工作会议上提出删除上述“挤压”检验的第3个终止条件,认为以电池电压下降100 mV为终止条件难控制,检验设备很难正好抓测到电压下降100 mV的点。因为修订的宗旨是与UN38.3协调一致,而UN38.3已确定了这样的规定,所以工作会议暂未采纳该意见,需进一步的研究和协调。我国原电池标委会提出,IEC 60086-4:2007的“挤压”检验规定矩形电池挤压两个方向,而IEC 62281 Ed.2草案规定只要挤压一个方向,应当将挤压方法协调一致。工作会议采纳了该意见,确定将修改IEC 60086-4中相关的内容,使之与IEC 62281协调一致。

IEC 62281 Ed.2草案对“撞击”检验做了较多的修订,如:规定直径大于20 mm的圆柱形电池进行“撞击”检验；增加了撞击检验的装置示意图；规定了钢棒为316或其他相当的材型；钢棒至少为60 mm长或不小于电池的最长尺寸；规定了钢棒的直径误差(15.8±0.1 mm)和重物的质量误差(9.1±0.1 kg)。对于撞击检验,我国提了几条意见,涉及钢棒的长度、钢棒摆放的位置、适合此项检验的电池类型等,并建议在检验方法中增加一个表述:“Any way that can make sure a vertical free fall of the mass in controlled manner should be allowed to use”,以明确表明可允许使用不同于装置示意图、但能保证重物垂直自由下落的其他撞击装置进行检验。

由于修订的宗旨是与 UN38.3协调一致,凡是与ST/SG/AC.10/38/Add.2[3]不一致的意见,基本上都未采纳。

2.7 强制放电检验

按IEC 62281 Ed.1的规定,强制放电检验要求电池在环境温度下与12 V直流电源串联,以电池制造商规定的最大持续放电电流为初始电流强制放电。

我国提出:对于很小的电池,由于制造商规定的最大持续放电电流极小,检验时间过长,如CR2477型扣式电池,标称容量为1 000 mAh,最大持续放电电流为0.6 mA,放电时间约为70 d。我国建议对扣式锂原电池不进行强制放电检验,可以采用IEC 60086-4:2007的“非正常充电”检验取代。由于要与UN38.3协调一致,该意见未被采纳,但将进一步的探讨。

2.8 安全信息

与IEC 62281 Ed.1相比,IEC 62281 Ed.2草案在安全信息这一章中增加了7.3.5条款:分类Classification。内容为:海、陆、空各类运输规则,包括由国际民航组织(ICAO)发布的《危险货物航空安全运输技术导则》[7]、由国际航空运输协会(IATA)发布的《危险品规则》[8]、由国际海事组织(IMO)发布的《国际海运危险货物规则》[9]以及有关锂电池公路运输和铁路运输的规则都是基于UN38.3制定的。这些运输规则中描述的检验方法与IEC 62281基本相同,未通过所有必检项目的锂电池,通常不允许运输。

2.9 标志

在IEC 62281 Ed.1和 IEC 62281 Ed.2草案中,原规定锂原电池或锂蓄电池包装箱上应标明警示信息和图示。

工作会议确定,警示图示应与IATA/ICAO(国际航空运输协会/国际民航组织)的标签(见图 1)一致,且原警示信息的“内装锂电池”改为“内装锂金属电池”或“内装锂离子电池”[8]。

图1 IATA/ICAO中规定的锂电池包装的警示标签Fig.1 Warning label on the lithium battery package prescribed in IATA/ICAO

3 结束语

我国已于2008年将IEC 62281 Ed.1等同转化为国家标准GB 21966-2008《锂原电池和蓄电池在运输中的安全要求》。全国原电池标准化技术委员会正密切关注并积极参与IEC 62281的修订工作,同时着手修订GB 21966-2008的准备工作,争取国家标准与IEC 62281 Ed.2同步改版。锂电池生产企业、相关的贸易组织、电池检验机构应做好相应的准备,以适应IEC 62281、UN38.3等标准的变化。

[1]IEC 62281 Ed.1,Safety of primary and secondary lithium cells and batteries during transport[S].

[2]IEC 62281 Ed.2(CD),Safety of primary and secondary lithium cells and batteries during transport[S].

[3]UN.ST/SG/AC.10/38/Add.2,Amendments to the fifth revised edition of the Recommendations on the Transport of Dangerous Goods,Manual of Tests and Criteria(ST/SG/AC.10/11/Rev.5)[Z].2011-03-08.

[4]IEC 60086-4,Primary batteries-Part 4:safety of lithium batteries[S].

[5]UL1642,Lithium batteries[S].

[6]IEC 62133,Secondary cells and batteries containing alkaline or other non-acid electrolyte-Safety requirements for portable sealed secondary cells,and for batteries made form them,for use in portable applications[S].

[7]ICAO.Technical Instructions for the Safe Transport of Dangerous Goods by Air[Z].2011-2012Ed.

[8]IATA.Dangerous Goods Regulations-2011[Z].52nd Ed.

[9]IMO.International Maritime Dangerous Goods(IMDG)Code[Z].2010 Ed.

[10]UN.UN DOT 38.3:Recommendations on the Transport of Dangerous Goods:Manual of Tests and Criteria[Z].2009-12-31.