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锂电池安全检测技术汇总

浏览次数:0 | 2022-05-17 10:09

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  电池在我们的生活中起着至关重要的作用,尤其是锂电池,用的范围很广,经常用在一些小型便携式电器,比如手机。电池属于消耗型材料,经常充电放电,无论是再好的电池,都有一定的寿命,而且锂电池价格高于其它电池,所以购买时尽量选择质量好的锂电池,用的期限可以久一点,那么大家一起了解一下锂电池吧。

  随着手机、数码产品、电动汽车的普及,锂离子电池在人们生活当中扮演着越来越重要的角色。低能量密度、循环寿命有限等使用问题常常被人们诟病,但是与这些问题相比,电池安全问题却是人们关注的焦点。近些年,由于电池安全问题引发的事故比比皆是,很多问题造成的后果触目惊心,比如震惊业界的波音787“梦幻”客机锂电池起火事件,以及SamsungGalaxy Note 7大范围的电池起火爆炸事件,给锂离子电池的安全性问题再次敲响了警钟。

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  锂电池分类

  1、锂电池通常分两大类:

  锂金属电池:锂金属电池一般是使用二氧化锰为正极材料、金属锂或其合金金属为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。

  锂离子电池:锂离子电池一般是使用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料、使用非水电解质的电池。

  2、按用途分;也可分为两大类:

  第一个是数码电池,就是我们日常用的手机,平板,移动电源等等,这些都是属于数码类电池。

  第二种是动力电池,就是特斯拉,比亚迪一些新能源电动汽车,还有无人机等产品用的电池,这些电池要求的瞬间电流很大,数码类电池满足不了瞬间大电流,所以这类也叫高倍率电池,价格比数码电池要贵一些。

  3、按外壳材料分,可以分为三类:

  第一类,钢壳电池,顾名思义就是外壳是钢材。

  第二类,铝壳电池,同理外壳是铝的材质。

  第三类,聚合物电池,外壳是一种聚合物材料,大多是银色的,少数几家厂商做的是黑色,业内成为黑皮。

  主要影响因素来源

  (1)正极材料:当锂离子电池使用不当时,导致电池内部温度过快升高,造成正极材料中的活性物质分解和电解液的氧化,从而产生大量热量,使得电池过热,引起燃烧甚至爆炸。

  (2)负极材料:如果以金属锂做负极材料,电池经过多次充放电后容易产生锂枝晶,进而刺破隔膜,导致电池短路、漏液。目前常用嵌锂化合物作为负极材料,有效避免锂枝晶的产生,提高安全性。

  (3)隔膜与电解液:锂电池的电解液通常为锂盐(如六氟磷酸铝)与有机溶剂(如碳酸酯)的混合溶液,电池温度较高时下易发生热分解。

  锂离子电池的组成及工作原理

  锂离子电池主要由正极、负极、电解液、隔膜以及外部连接、包装部件构成。其中,正极、负极包含活性电极物质、导电剂、粘结剂等,均匀涂布于铜箔和铝箔集流体上。

  锂离子电池的正极电位较高,常为嵌锂过渡金属氧化物,或者聚阴离子化合物,如钴酸锂、锰酸锂、三元、磷酸铁锂等;锂离子电池负极物质通常为碳素材料,如石墨和非石墨化碳等;锂离子电池电解液主要为非水溶液,由有机混合溶剂和锂盐构成,其中溶剂多为碳酸之类有机溶剂,锂盐多为单价聚阴离子锂盐,如六氟磷酸锂等;锂离子电池隔膜多为聚乙烯、聚丙稀微孔膜,起到隔离正、负极物质,防止电子通过引起短路,同时能让电解液中离子通过的作用。

  在充电过程中,电池内部,锂以离子形式从正极脱出,由电解液传输穿过隔膜,嵌入到负极中;电池外部,电子由外电路迁移到负极。在放电过程中:电池内部锂离子从负极脱出、穿过隔膜,嵌入到正极中;电池外部,电子由外电路迁移到正极。随着充、放电,迁移于电池间的是“锂离子”,而非单质“锂”,因此电池被称为“锂离子电池”。

  一般来说,锂离子电池出现安全问题表现为燃烧甚至爆炸,出现这些问题的根源在于电池内部的热失控,除此之外,一些外部因素,如过充、火源、挤压、穿刺、短路等问题也会导致安全性问题。锂离子电池在充放电过程中会发热,如果产生的热量超过了电池热量的耗散能力,锂离子电池就会过热,电池材料就会发生SEI膜的分解、电解液分解、正极分解、负极与电解液的反应和负极与粘合剂的反应等破坏性的副反应。

  锂离子电池安全检测指标

  锂离子电池生产出来后,在到达消费者手中之前,还需要进行一系列检测,以尽量保证电池的安全性,降低安全隐患。

  1、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。

  2、撞击测试:

  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。

  3、过充测试:

  将电池用1C充满电,按照3C过充10V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。

  4、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。

  5、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。

  6、温度循环测试:

  锂离子电池温度循环试验是用来模拟锂离子电池在运输或贮存过程中,反复暴露在低温和高温环境下,锂离子电池的安全性,试验是利用迅速和极端的温度变化进行的。试验后样品应不起火、不爆炸、不漏液。

  针对锂离子电池在材料、制造和使用过程中的诸多安全隐患,如何对容易产生安全问题的部分进行改进,是锂离子电池制造商需要解决的问题。

  1、提高电解液的安全性

  电解液与正、负电极之间均存在很高的反应活性,尤其在高温下,为了提高电池的安全性,提高电解液的安全性是比较有效的方法之一。通过加入功能添加剂、使用新型锂盐以及使用新型溶剂可以有效解决电解液的安全隐患。

  根据添加剂功能的不同,主要可以分为以下几种:安全保护添加剂、成膜添加剂、保护正极添加剂、稳定锂盐添加剂、促锂沉淀添加剂、集流体防腐添加剂、增强浸润性添加剂等。

  为了改善商用锂盐的性能,研究者们对其进行了原子取代,得到了许多衍生物,其中采用全氟烷基取代原子得到的化合物具有闪点高、电导率近似、耐水性增强等诸多优点,是一类很有应用前景的锂盐化合物。另外,以硼原子为中心原子、与氧配体螯合得到的阴离子锂盐,具有很高的热稳定性。

  对于溶剂方面,很多研究者提出了一系列新型的有机溶剂,如羧酸酯、有机醚类有机溶剂。另外,离子液体也有一类安全性高的电解液,但是相对普遍使用的碳酸酯类电解液,离子液体的粘度高个数量级,电导率、离子自扩散系数较低,离实用化还有很多工作要做。

  2、提高电极材料的安全性

  磷酸铁锂以及三元复合材料被认为是成本低廉、“安全性优良”的正极材料,有可能在电动汽车产业中普及应用。对于正极材料,提高其安全性的常见方法为包覆修饰,如用金属氧化物对正极材料进行表面包覆,可以阻止正极材料与电解液之间的直接接触,抑制正极物质发生相变,提高其结构稳定性,降低晶格中阳离子的无序性,以降低副反应产热。

  对于负极材料,由于其表面的往往是锂离子电池中最容易发生热化学分解并放热的部分,因此提高SEI膜的热稳定性是提高负极材料安全性的关键方法。通过微弱氧化、金属和金属氧化物沉积、聚合物或者碳包覆,可以提高负极材料热稳定性。

  3、改善电池的安全保护设计

  除了提高电池材料的安全性,商品锂离子电池采用的许多安全保护措施,如设置电池安全阀、热溶保险丝、串联具有正温度系数的部件、采用热封闭隔膜、加载专用保护电路、专用电池管理系统等,也是增强安全性的手段。


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胡玲

胡玲 2012年进入亿博检测技术有限公司,担任高级销售顾问。
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