锂电池安全标准

   鋰電池安全標準及安全要求綜述

   Overview of safety standards and technical standards for lithium battery

   摘 要：本文綜述了國內外鋰電池安全標準，重點介紹了各種安全測試方法的差異及目的，並對近年來出現的一些新的測試方法進行了探討。

   Abstract:This paper is a overview of safety standards for lithium battery, mainly introducing the purposes and differences among each safety test methods. It also studys the new test methods generated in recent years.

   關鍵字：鋰電池；安全標準；檢測方法；強制內部短路；上限試驗溫度；下限試驗溫度；鈍刺試驗；過充電試驗

   Key words: lithium batteries; safety standards; tests; forced internal short circuit test; highest test temperature; lowest test temperature; blunt nail crush; overcharge

   1. 引言

   自從鋰電池面世以來，就以其卓越的性能迅速成為蓄電池領域的佼佼者，但是隨著其應用範圍的逐漸擴大以及單個電池的體積能量密度越來越高，容量越來越大，鋰電池的安全性也越來越被人們所關注。近年來，針對鋰電池的檢測手段越來越成熟，國際和國內都相繼推出了多個安全性標準，如GB/T 18287-2000、IEC 62133、UL 1642、IEEE 1625等，另外，還有很多針對鋰電池運輸、在設備中使用時的安全標準，如UN 38.3、GB 4943等，但是近年來隨著鋰電池的普及和容量的增大，還是屢屢發生鋰離子電池爆炸傷人或因安全隱患召回產品等事件，各個國家都在紛紛研究新的鋰電池安全技術，開展更適合當今鋰電池的檢測手段，如日本JIS C 8714的強制內部短路試驗，IEC的上下限溫度測試手段、鈍刺試驗等，我們國家也正在積極地制訂新的鋰電池強制標準。本文試圖對各種鋰電池檢測標準作一個歸納，並對鋰電池新的檢測方法進行一些簡單的探討。

   2. 鋰電池安全標準

   目前全世界許多的國家和國際組織都推出了自己的鋰電池安全標準和檢驗要求，其中應用比較廣泛的幾個標準有：

   IEC 62133 Edition 1.0 可擕式和可擕式設備用密封含鹼性或其他非酸性電解液二次電芯和電池（Secondary cells and batteries containing alkaline or other non-acid electrolytes — Safety requirements for portable sealed secondary cells, and for batteries made from them, for use in portable applications）；

   IEC 61960 Edition 1.0可擕式設備用含鹼性或其他非酸性電解液二次電芯和電池-二次鋰離子電芯和電池

   （Secondary cells and batteries containing alkaline or other non-acid electrolytes — Secondary lithium cells and batteries for portable applications）；

   IEC 60950-1 Edition 1.0 資訊技術設備的安全（Information technology equipment — Safety — Part 1: General

   requirements）；

   IEC 60086-4:2019 一次電池-第四部分：鋰電池安全（Primary batteries – Part 4: Safety of lithium batteries）； UL 1642 Ed 4 鋰電池（Lithium Batteries）；

   UL 2054 Ed 2 民用和商用電池（Household and Commercial Batteries）；

   UN ST/SG/AC.10/11/Rev.4-2019 危險品貨物運輸建議書-試驗和標準手冊（Recommendations on the Transport of

   Dangerous Goods — Manual of Tests and Criteria, Fourth Revised Edition）；

   GB/T18287-2000 《蜂窩電話用鋰離子電池總規範》；

   JIS C 8714:2019 可擕式電子設備用鋰離子電池的單電池即電池組的安全試驗；

   IEEE Std 1625-2019 筆記型電腦用可充電電池IEEE Standard for Rechargeable Batteries for Portable Computing； IEEE Std 1725-2019 行動電話用可充電電池IEEE Standard for Rechargeable Batteries for Cellular Telephones。

   3. 鋰電池檢測方法

   以上幾個主要的鋰電池標準分別從不同的角度考察了鋰電池的安全性和電性能，現將分類如下：

   從上表可以看出，目前鋰電池的各種標準主要從三個角度考察鋰電池的電性能及安全性能：1.產品使用安全性；2.環境適應性；3.電性能。不同標準對電池的檢測各有側重：IEC 61960主要側重於鋰電池的電性能測試；IEC 62133和日本JIS C 8714要求側重于產品使用安全和環境適應性安全；GB/T 18287不僅包含了部分安全檢測專案，還涵蓋了性能測試；UL 2054和UL 1642則全面考察電芯和電池在各種使用環境下，包括故障條件、重壓條件、燃燒條件下的安全性。

   4. 新測試方法的探討

   隨著鋰電池技術的不斷進步，各個國家都在研究開展適合當今鋰電池的檢測手段。如目前正在制定的IEC 62133 Ed2討論稿中提出的鈍刺試驗和上、下限試驗溫度；日本JIS C 8714提出的強制內部短路試驗等。有些試驗項目是對過去檢測項目的改進，有些則是全新的檢測項目。我們就目前討論比較多的幾個測試專案和測試條件作些簡單地探討。

   4.1 上、下限試驗溫度[8] [9]

   上、下限試驗溫度錶示電池可使用上限充電電壓及最大充電電流時，電芯表面的最高溫度和最低溫度。上、下限試驗溫度是根據鋰電池的材料特性制定出來的，IEC 62133 Ed2討論稿和JIS C 8714提出的上、下限試驗溫度分別是45℃和10℃，是根據目前市面上比較普遍的鋰離子電池材料特性制定的，並不能代表所有的鋰電池，JIS C 8714中提出，如果需要採用新的上、下限試驗溫度，則需要進行一定的試驗並補充資料依據。其試驗考察內容包括：正極材料的結構穩定性、電解液的結構穩定性等材料特性，需保證在新上限試驗溫度下的已充電電池的安全性，並且在新上限試驗溫度中加上5℃適用JIS C 8714 第5.1款的充電條件，且符合第5.2～5.5款的試驗要求；基於負極材料的鋰離子吸納性、電解液的鋰離子移動度等（與溫度相應），需保證在新下限試驗溫度下的已充電電池的安全性，並且在新下限試驗溫度中加上-5℃適用5.1款的充電條件，且符合5.2～5.5款的試驗要求。IEC 62133 Ed2討論稿中也有類似的要求。

   4.2 強制內部短路試驗[8]

   強制內部短路試驗是由日本有關方面最先提出的。2019年，日本某公司生產的筆記型電腦用電池發生起火，有關方面在詳細研究分析了電池起火的原因後，認為是由於在生產過程中鋰電池內部混入了金屬小微粒，小微粒刺穿正、負極之間的隔膜，導致了電池內部短路，從而造成電池起火。強制內部短路試驗試

   圖類比這種金屬微粒刺穿隔膜造成內部短路的情況，試驗分別從兩個位置考察內部短路：正極活性物質-負極活性物質之間；正極鋁箔-負極活性物質。試驗時首先在結露點低於-25℃的環境下將充滿電的電芯分解，然後分別在上兩個位置放置小鎳片，卷回電池，放入密封的聚乙烯袋中，分別在上限（下限）試驗溫度加上（減去）5℃的條件下放置45min，然後分別在上、下限試驗溫度條件下，用標準加壓工具以0.1mm/秒的速度對準放置鎳片位置施加壓力，直至觀測到內部短路引起電壓下降50mV或壓力達到要求（圓形電池800N，方形電池400N）為止，壓力保持30s後解除。要求電池在內部短路的情況下不起火、不爆炸。

   強制內部短路試驗受到了較多的爭議，主要是電池在拆解的過程中破壞其電化學環境，雖然拆解過程要求在露點低於-25℃的環境下進行，但是仍不能完全保證電池維持原有狀態，在包卷回去的電芯是否能有效模擬正常電池的內部短路仍然存在一定爭議。

   4.3 鈍刺試驗[9]

   IEC 62133 Ed2討論稿中提出來一個鈍刺試驗項目（Blunt nail crush），其試驗內容有些類似強制內部短路試驗，用一根硬度不小於SKD-11級、直徑3.2mm的圓頭鋼針，以0.1mm/sec的速度擠壓電池，當電壓降達到100mV時停止加壓，當樣品冷卻到室溫±10℃時試驗停止。鈍刺試驗也是針對電池內部短路現象而提出來的，在試驗條件和設計理念上都與強制內部短路試驗有很多類似之處，其優點是不需要拆解電池，不會破壞鋰電池原有的化學環境，可操作性更強。但是鈍刺試驗是否能完全類比電池內部短路情況仍在研究之中，目前國際電子電機委員會(International Electrotechnical Commission)仍在對IEC 62133 Ed2中是否採用“強制內部短路試驗”和“鈍刺試驗”進行討論。

   4.4 過充電試驗[9]

   IEC 62133 Ed2討論稿中，對過充電試驗提出了一些新的修改。2002版中對過充電試驗的試驗內容為：5個按標準放電後的電芯，用10V以上的電源充電，充電電流Irec（製造商推薦值），達額定容量的250%，即充電時間是2.5 C5/Irec h，要求：無著火、無爆炸。在過去近十年的鋰電池試驗中，鋰電芯的過充電試驗都是比較難於通過的一個試驗，主要是10V的充電電壓要求過於嚴格。其實消費者所能接觸到的電池一般都是帶有PCB保護板的，PCB保護板通常帶有限壓保護電路，能有效防止電芯的過充電；再者，一般來說，250％充電時的電壓一般達到5V左右，測試要求使用10V的施加電壓，是為了確保測試的穩妥性。這次IEC 62133 Ed2討論稿中修改了針對電芯的過充電試驗條件：按標準放電後的電芯，充電電流2.5Irec（製造商推薦值），達額定容量的250%；另外還增加了對電池包的過充電試驗，其試驗內容為：標準放電後的電池，以2ItA恒流充電，充電電壓不大於推薦充電器的最大充電電壓。

   5. 結束語

   隨著鋰電池的應用越來越廣泛，新的鋰電池標準和試驗條件將會不斷被推出，特別是鋰動力電池的研究和應用，對鋰電池的安全性和環境適應性提出了更高、更複雜的要求，如何有效的模擬複雜環境下鋰電池的使用特性，保證生產出的鋰電池的安全性，都成為擺在鋰電池測試工程師面前的問題。只有不斷研究探索鋰電池的電化學特性和使用環境特性，才能制定出更加符合當今鋰電池的試驗專案和檢測條件。

   參考文獻：

   [1] GB/T18287-2000 《蜂窩電話用鋰離子電池總規範》[S].

   [2] IEC 62133 Edition 1.0 Secondary cells and batteries containing alkaline or other non-acid electrolytes — Safety

   requirements for portable sealed secondary cells, and for batteries made from them, for use in portable applications [S].

   [3] IEC 61960 Edition 1.0 Secondary cells and batteries containing alkaline or other non-acid electrolytes — Secondary lithium cells and batteries for portable applications [S].

   [4] IEC 60086-4:2019 Primary batteries – Part 4: Safety of lithium batteries [S].

   [5] UN ST/SG/AC.10/11/Rev.4-2019 Recommendations on the Transport of Dangerous Goods — Manual of Tests and

   Criteria, Fourth Revised Edition [S]. [6] UL 1642 Ed 4 Lithium Batteries [S].

   [7] UL 2054 Ed 2 Household and Commercial Batteries [S].

   [8] JIS C 8714:2019

   可擕式電子設備用鋰離子電池的單電池即電池組的安全試驗[S].

   [9] IEC 62133 Edition 2.0 Secondary cells and batteries containing alkaline or other non-acid electrolytes — Safety

   requirements for portable sealed secondary cells, and for batteries made from them, for use in portable applications [S].