锂电池安全性能测试方法探讨

谢香伦

摘 要：锂电池技术成熟，质量安全有保障，推动了锂电产业的迅猛发展。为安全使用和处理锂电池，国家标准民用锂电池安全通用要求的要求，对锂电池测试，确保安全使用。如何通过严格可靠的测试，控制并保证锂电池的安全运行并提升其工作寿命，不仅是从事锂电池开发和生产的工程师面对的挑战，也同样是对产品设计工程师在选用电池和设计产品用电特性时，需要充分考虑的问题。本文分析了锂电池性能测试方法，并探讨了提高锂离子电池安全性能的措施。

关键词：锂电池；安全性能；测试方法；措施

锂电池作为新能源汽车储能环节，其性能与充放电规律直接决定新能源汽车的续航里程和动力性。除了应用在新能源汽车领域，还广泛应用在手持脱缆工具中，锂电池的性能及寿命影响工具的性能及寿命。锂电池属于化学储能，与铅酸电池、镍氢电池、镍铬电池等相比，在电池寿命、充电技术、安全性、比能量、比功率方面有明显的优势。因此，对锂电池性能的研究逐渐成为热点。

一、锂电池性能

充放电倍率、充放电次数、内阻是单体锂电池的主要性能指标。在锂电池组中，电池的均衡性指标决定电池组的性能。

充放电倍率又称C率，是指锂电池充放电电流大小。放电时C越大，瞬时放电电流越大，驱动能力越强，输出电能越少。充电时C越大，充电越快，充入电池的电能越少。

循环次数，是充电电池的重要指标，决定电池的寿命，单体锂电池的充电次数理论为15000次左右，理论寿命为是15年。锂电池组受个别单体电池性能及寿命的影响，存在水桶效应，循环次数理论值为10000次，寿命10年。充放电次数决定基于锂电池应用产品的寿命，根据标准的充放电规律，如1C放电，0.3C充电，每次电池从5%充放到95%，照此循环，充放电500次后，电池的容量为最初容量的80%。充放电次数与电池的负载变化密切相关，在实际产品应用中，则与使用情况息息相关。

内阻，电池内部的电阻。是指在电池工作时，电流流过电池内部所需要的电阻。锂电池在放电时，所有能力不能完全转化为电能，电化学反映存在能力损失，既为其内阻。内阻与负载直接相关，受温度影响大，随着电池的使用，充放电次数的增加，内阻逐渐增大。内阻与冲放电倍率有关，内阻越小，C率越大。特斯拉汽车所用的松下18650单体电池内阻约为50mΩ。

二、锂电池性能测试方法

1、过充测试：将锂电池用1C充满电，在按照3C过充进行过充试验，当电池过充时电压上升到一定电压时稳定一段时间，接近一定时间时电池电压快速上升，当上升至一定限度时，电池高帽拉断，电压跌至0V，电池没有起火、爆炸即可。

2、短路测试：将电池充满电后用电阻不大于50mΩ的导线将电池正负极短路，测试电池的表面温度变化，电池表面最高温度为140℃，电池盖帽拉开，电池不起火、不爆炸即可。

3、自放电测试。锂电池的自放电测试为：一般采用24小时自放电来快速测试其荷电保持能力，将电池以0.2C放电至3.0V，恒流恒压1C充电至4.2V，截止电流：10mA，搁置15分钟后，以1C放电至3.0V测其放电容量C1，再将电池恒流恒压1C充电至4.2V，截止電流100mA，搁置24小时后测1C容量C2，C2/C1100%应大于99%。

4、针刺测试：将充满电的电池放在一个平面上，用直径3mm的钢针沿径向将电池刺穿。测试电池不起火、不爆炸即可。

5、IEC标准循环寿命测试。IEC规定锂电池标准循环寿命测试为：电池以0.2C3.0V/支后，1C恒流恒压充电到4.2V，截止电流20MA，搁置1小时后，再以0.2C放电至3.0V（一个循环）反复循环500次后容量应在初容量的60%以上。

6、挤压测试：将充满电的电池放在一个平面上，由油压缸施与13+1KN的挤压力，由直径为32mm的钢棒平面挤压电池，一旦挤压压力到达最大停止挤压，电池不起火，不爆炸即可。

7、振动实验测试。锂电池振动实验方法为：电池以0.2C放电至3.0V后1C充电恒流恒压充电到4.2V，截止电流10mA，搁置24小时后按下述条件振动：振幅0.8mm使电池在10HZ-55HZ之间振动，每分钟以1HZ的震动速率递增或递减.振动后电池电压变化应在0.02V之间，内阻变化在5m以内。

8、高温高湿测试。锂电池高温高湿测试为：（国家标准）将电池1C恒流恒压充电到4.2V，截止电流10mA，然后放入（（40±2）℃），相对湿度为90%-95%的恒温恒湿箱中搁置48h后，将电池取出在（（20±5）℃）的条件下搁置2h，观测电池外观应该无异常现象，再以1C恒流放电到2.75V，然后在（（20±5）℃）的条件下，进行1C充电，1C放电循环直至放电容量不少于初始容量的85%，但循环次数不多于3次。

内压测试。锂电池内压测试为：（UL标准）模拟电池在海拔高度为15240m的高空（低气压11.6kPa）下，检验电池是否漏液或发鼓.具体步骤：将电池1C充电恒流恒压充电到4.2V，截止电流10mA，然后将其放在气压为11.6Kpa，温度为（（20±3）℃）的低压箱中储存6小时，电池不会爆炸，起火，裂口，漏液。

9、重物撞击测试：将电池充满电后，放置在一个平面上，将直径15.8mm的钢柱垂直置于电池中心，将重量9.1kg的重物从610mm的高度自由落到电池上方的钢柱上，电池不起火、不爆炸即可。

10、跌落测试。将电池组充满电后从三个不同方向于1m高处跌落于硬质橡胶板上，每个方向做2次，电池组电性能应正常，外包装无破。

三、提高锂离子电池安全性能的措施

1、加强电芯整体安全设计。电芯是将电池各种物质组合起来的纽带，是正极、负极、隔膜、极耳和包装膜等结构的集成，电芯结构设计不但影响到各种材料性能的发挥，还对电池整体化学性能、安全性能产生重要的影响。在电芯设计上，应结合材料特性来制定合理的结构模式，在锂电池结构上还可以考虑加人一些额外的保护装置，如采用开关元件、安全阀等。

2、选用安全系数更高的原材料。选用安全系数更高的正负极活性材料、隔膜材料和电解液。正极材料的安全性主要基于材料的热力学稳定性、材料的化学稳定性、材料的物理性能三个方面进行；隔膜材料应基于机械隔离性能、孔径和空隙率、材料的化学稳定性、自动关闭功能、较小的热收缩率和变形率、材料厚度、较大的物理强度等方面进行综合考虑；电解液应选择化学稳定性好、电化学稳定性好、锂离子导电率高、液态稳定范围宽的材料。

生产过程标准化和规范化。努力做好电芯生产过程中的标准化和规范化。在匀浆、涂敷、烘干、压实、分切和卷绕等步骤中，关键控制点标准化，如涂敷量、碾压厚度、电解液注液量等，，改进工艺手段，如低气压注液法、离心装壳法等，，做好工艺控制，保证工艺质量，缩小产品间的差异，在对安全有影响的关键步骤设置特殊方法，如通过调整切刀角度改善极片毛刺、扫粉、对不同的材料采用不同的焊接方法等，。实施标准化质量监控，消除缺陷部位，排除有缺陷产品，如极片变形、隔膜刺破、活性材料脱落和电解液泄漏等。

结语：总之，各种锂离子电池由于具有优良的性能，而得到了广泛的应用，同时，其安全性也同样受到了广泛关注。因此，电池生产企业要按照国家标准民用锂电池安全通用要求的要求，对锂电池测试，确保安全使用。通过严格可靠的测试，控制并保证锂电池的安全运行更好地提高锂离子电池的安全性，并提升其工作寿命。

参考文献：

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[3]田鹏，宋康，廖俊必，李忠秦.磷酸铁锂电池性能测试与优化使用研究[J].电子测量技术，2014，4（5）.