李樹輝

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所， 廣東 廣州 510610）

鋰電池安全試驗設(shè)備設(shè)計
——擠壓試驗機

李樹輝

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所， 廣東 廣州 510610）

鋰電池的安全性作為衡量電池性能的重要技術(shù)指標(biāo)，為鋰電池生產(chǎn)商及消費人群所關(guān)注，安全性能測試設(shè)備不但作為目前檢驗電池安全性能的工具，而且為后續(xù)的電池安全性研發(fā)提供試驗手段。從現(xiàn)行的鋰電池安全試驗標(biāo)準(zhǔn)中探討并匯總鋰電池擠壓試驗要求，提出擠壓設(shè)備的設(shè)計方案及其相應(yīng)的解決途徑。

安全試驗標(biāo)準(zhǔn)；測試要求；設(shè)備設(shè)計方案；液壓系統(tǒng)

0 引言

安全問題已成為制約鋰電池向大型化、高能化方向發(fā)展的主要障礙。鋰電池最大的安全隱患是爆炸、漏液等。在一些突發(fā)事件如電池過充電、針刺穿透、擠壓，以及高溫環(huán)境等情況下，電極和有機電解液容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)， 如 SEI膜的分解、 有機電解液的氧化和還原，以及正極的分解，正極分解產(chǎn)生的氧氣進一步地與有機電解液發(fā)生反應(yīng)等。這些反應(yīng)產(chǎn)生的大量熱量如果不能及時地散失到周圍環(huán)境中，必將導(dǎo)致熱失控的產(chǎn)生，最終導(dǎo)致電池的燃燒和爆炸等[1]。 鋰電池的安全性作為衡量電池性能的重要技術(shù)指標(biāo)，為鋰電池生產(chǎn)商及消費人群所關(guān)注，安全性能測試設(shè)備不但作為目前檢驗電池安全性能的工具，而且為后續(xù)的電池安全性研發(fā)提供試驗手段。電池擠壓試驗作為其安全性能檢測方法之一，本文試圖匯總現(xiàn)行鋰電池安全試驗標(biāo)準(zhǔn)在擠壓試驗方面的要求，給出一套鋰電池擠壓試驗設(shè)備的解決方案。

1 鋰電池安全試驗標(biāo)準(zhǔn)

a）目前世界上多個國家和國際組織都推出了自己的鋰電池安全標(biāo)準(zhǔn)和檢驗要求，其中應(yīng)用比較廣泛的幾個標(biāo)準(zhǔn)有：

1）UL 1642-2009[2]Lithium Batteries；

2）UL 2054 Ed 2[3]民用和商用電池（Household and Commercial Batteries）；

3）IEC 60950-1 Edition 1.0[4]信息技術(shù)設(shè)備的安全（Information technology equipment — Safety—Part 1:General requirements）；

4）IEC 60086-4:2007[5]一 次 電池 - 第 四 部分： 鋰電池安全（Primary batteries-Part 4:Safety of lithium batteries）；

5）IEC 62133 Edition 1.0[6]便攜式和便攜式設(shè)備用密封含堿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 batteriesmade from them， for use in portable applications）；

6）IEC 61960 Edition 1.0[7]便攜式設(shè)備用含堿性

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）；

7）UN ST/SG/AC.10/11/Rev.4-2003[8]危險品貨物運輸建議書-試驗和標(biāo)準(zhǔn)手冊（Recommendations on the Transport of Dangerous Goods — Manual of Tests and Criteria， Fourth Revised Edition）；

8）GB/T 18287-2000[9]《蜂窩電話用鋰離子電池總規(guī)范》；

9）IEEE Std 1625-2004[10]筆記本電腦用可充電 電 池（ IEEE Standard for Rechargeable Batteries for Portable Computing）；

10）IEEE Std 1725-2006[11]移動電話用可充電 電池（IEEE Standard for Rechargeable Batteries for Cellular Telephones）。

b）我國現(xiàn)行的鋰離子電池安全標(biāo)準(zhǔn)或含有安全規(guī)定的產(chǎn)品規(guī)范如下：

1）QC/T 743-2006[12]《電動汽車用鋰離子蓄電池》；

2）GB/T 18287-2000[13]《蜂窩電話用鋰離子電池總規(guī)范》；

3）GB/Z 18333.1-2001[14]《電動道路車輛用鋰離子蓄電池》；

4）YD 1268.1-2003[15]《移動通信手持機鋰電池的安全要求和試驗方法》；

5）SJ/T 11169-1998[16]《鋰電池標(biāo)準(zhǔn)》（eqvUL1642： 1995）；

6）QB/T 2502-2000[17]《鋰離子蓄電池總規(guī)范》；

7）GB/T 19521.11-2005[18]《鋰電池組危險貨物危險特性檢驗安全規(guī)范》；

8）SN/T1414.3-2004[19]《進出口蓄電池安全檢驗方法第 3部分： 鋰離子蓄電池》。

2 鋰電池擠壓試驗要求匯總及參數(shù)化

2.1 試驗要求匯總

根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，可以匯總出鋰電池安全測試要求 [2-19]：

a）單體電池擠壓測試

單體鋰電池充電后， 在（20±5）℃條件下擱置1 h。 按照下列條件進行試驗。

1）擠壓方向： 垂直于蓄電池單體排列方向施壓；

2）擠壓程度： 擠壓至蓄電池模塊原始尺寸的85%， 保持 5 min 后再擠壓至蓄電池模塊原始尺寸的 50%； 或出現(xiàn)要求中的壓降（包括內(nèi)部短路）；

3）擠壓力： 最大擠壓力為（100±6）kN， 對便攜式鋰離子電池為（13±1） kN。

b）模組電池擠壓測試

電池組（低于 5 塊）充電后， 在（20±5）℃條件下擱置1 h后按串聯(lián)方式放置整齊，按照單體電池測試方法進行試驗。

擠壓板形式如圖1所示：一側(cè)是平板，一側(cè)是異形板。異形板的半圓柱形擠壓頭的典型直徑為75mm， 擠壓頭的典型間距為 30mm。

圖1 異形板

另對電動汽車用鋰離子蓄電池擠壓頭形式：不小于 20 cm2擠壓頭。

2.2 擠壓設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)

a）符合鋰電池安全標(biāo)準(zhǔn)中擠壓測試的相關(guān)條款。

b）動力源： 液壓機。

c）最大壓力與施壓方向：（100±6）kN， 水平施加壓力。

d）工位： 1個， 帶有一個金屬防護罩。

e）試驗工裝： 金屬試驗平臺， 兩塊擠壓鋼板（其中異形板半圓柱形擠壓頭的直徑為 75 mm， 擠壓頭間距 30 mm； 外廓尺寸： 300 mm×150 mm）；不小于 20 cm2擠壓頭一個。

f）電池擠壓行程： 大于 200mm。

g）功能（模式可選擇）：

1）達(dá)到（13±1）kN 后自動停止施壓， 液壓機自動復(fù)位。

2）達(dá)到設(shè)定電池壓降值后（在 10 VDC以內(nèi)，可在此范圍內(nèi)設(shè)置）停止施壓、達(dá)到設(shè)定的施壓距離（樣品尺寸的 85%）后， 保持 5 min 后再壓至樣品尺寸的 50%； 距離在 200 mm 內(nèi)， 壓力保持時間可設(shè)置 999 s內(nèi)。

3）擠壓程度： 直至蓄電池殼體破裂或內(nèi)部短路（蓄電池電壓變?yōu)?0 V）。

h）無線控制裝置（啟停擠壓試驗）， 控制范圍8m內(nèi)有效。

3 擠壓設(shè)備的設(shè)計方案

3.1 設(shè)備總體方案

由測試方法可以看出，電池、電池組的擠壓試驗實際上就是將電池按正常使用條件放置，在垂直方向用壓板將其破壞，考驗其安全性能。根據(jù)測試要求，設(shè)備原理方框圖如圖2所示，設(shè)備整體布局簡圖如圖3示。

圖2 設(shè)備原理方框圖

由圖3可以看出，該設(shè)備由液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、整體框架、工作臺和電池擠壓夾具構(gòu)成。操作時，試驗人員先把壓板夾具固定在液壓機臺靜壓力板上，然后將電池固定在工作臺面上，通過操作界面（遙控裝置）來控制氣缸前進或后退， 以對電池進行擠壓?？紤]到擠壓實驗存在一定的危險性，故將控制系統(tǒng)增加遙控裝置啟停試驗，保證實驗的安全距離。

圖3 設(shè)備整體布局簡圖

3.2 液壓系統(tǒng)的設(shè)計[20-21]

液壓系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

對液壓系統(tǒng)的配置要求是：

1）電機： 380 V， 2.2 kW， 2 800 rpm；

2）油泵流量： 1.0～3.0 cc/r；

圖4 液壓系統(tǒng)原理圖

3）油箱： 6 L；

4）安裝方式： 臥式；

5）系統(tǒng)工作壓力： 大于 20 MPa（200 kg/cm2）

6）油缸： 雙作用單活塞桿液壓缸， 液壓桿可輸出≥120 KN 力， 水平推出； 擠壓行程≥250 mm；

7）壓力傳感器： 0～25 MPa；

8）配件： 220 V 三位四通電磁閥、 雙單向節(jié)流閥、 壓力繼電器和液控單向閥， 以及 1.5 米 *2根油管。

工作過程說明：當(dāng)油缸的液壓臂對外施加壓力達(dá)到設(shè)定的壓力值時（操作界面設(shè)定）， 油缸停止施壓并復(fù)位；當(dāng)達(dá)到系統(tǒng)油壓的上限值時，壓力繼電器動作，停止施壓，活塞桿復(fù)位。

3.3 電氣控制的設(shè)計

液壓控制部分的電氣采用單片機控制，主要控制當(dāng)前設(shè)備擠壓行程、壓力和樣品壓降，以及時間等參數(shù)，設(shè)備觸摸操作界面如圖5所示，設(shè)備的具體控制過程如下：

a）根據(jù)電池樣品試驗需要的參數(shù)進行參數(shù)設(shè)定。

圖5 設(shè)備操作界面

b）通過前進按鍵， 調(diào)整動壓力板貼近樣品。

c）啟動試驗鍵， 動壓力板開始向前擠壓電池；當(dāng)達(dá)到設(shè)定的試驗條件時，設(shè)備停止施壓，動壓力板返回起始位置。

d）確認(rèn)停止后， 清理試驗過的樣品， 結(jié)束試驗。

3.4 擠壓工作臺的設(shè)計

工作臺的結(jié)構(gòu)形式如圖3所示，設(shè)計時需考慮以下幾個問題：

a）因擠壓力較大， 因此設(shè)計工作臺的框架應(yīng)采用 40 mm 厚的鋼板， 中間支撐立柱采用 4 根φ30 鋼棒連接。

b）考慮到氣缸行程較長， 氣缸缸體后面需加輔助支撐。

c）電池夾具設(shè)計時考慮到擠壓時電解液會流出，使用材質(zhì)需防腐蝕。

d）為了安全考慮， 在擠壓時工作臺安裝金屬防護罩蓋，并設(shè)泄壓氣孔。

4 結(jié)束語

隨著對電池體系、電池材料等安全性問題的深入研究，需從設(shè)計、生產(chǎn)、檢測和使用方的共同努力等方面來解決鋰電池的安全性問題，避免不安全因素的發(fā)生。通過有針對性的測試設(shè)備設(shè)計方案來提升鋰電池在安全測試過程的操作安全性與數(shù)據(jù)的可靠性，促進鋰離子動力電池的健康發(fā)展。

[1] 張 傳 喜. 鋰離 子 動 力 電池 安 全 性 研 究 進 展 [J]. 船 電 技術(shù)， 2009， 29（4）： 50-53.

[2]UL 1642-2009， Lithium batteries[S].

[3]UL 2054 Ed 2-1997， 民 用 和 商 用 電 池（Household andCommercial Batteries） [S].

[4]IEC 60950-1 Edition 1.0-2012， 信息 技 術(shù) 設(shè) 備 的安 全（ Information technology equipment-Safety-Part 1:General requirements） [S].

[5]IEC 60086-4-2007， 一次電池- 第四部分： 鋰電池安全（Primary batteries-Part4： Safety of lithium batteries）[S].

[6]IEC 62133 Edition 1.0-2002， 便攜式和便攜式設(shè)備用密封含堿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 nonacid electrolytes-Safety requirements for portable sealed secondary cells， and for batteriesmade from them， for use in portable applications） [S].

[7]IEC 61960 Edition 1.0-2000， 便攜式設(shè)備用含堿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） [S].

[8]UN ST/SG/AC.10/11/Rev.4-2003， 危險品貨物運輸建議書-試驗和標(biāo)準(zhǔn)手冊（Recommendations on the Transport of Dangerous Goods-Manual of Tests and Criteria， Fourth Revised Edition） [S].

[9]GB/T 18287-2000， 蜂窩電話用鋰離子電池總規(guī)范 [S].

[10]IEEE Std 1625-2004， 筆記本電腦用可充電電池（IEEE Standard for Rechargeable Batteries for Portable Computing） [S].

[11]IEEE Std 1725-2006， 移動電話用可充電電池（ IEEE Standard for Rechargeable Batteries for Cellular Telephones） [S].

[12]QC/T 743-2006， 電動汽車用鋰離子蓄電池 [S].

[13]GB/T 18287-2000， 蜂窩電話用鋰離子電池總規(guī)范 [S].

[14]GB/Z 18333.1-2001， 電 動道路 車 輛 用 鋰 離子 蓄 電 池[S].

[15]YD 1268.1-2003， 移動通信手持機鋰電池的安全要求和試驗方法 [S].

[16]SJ/T 11169-1998， 鋰 電 池 標(biāo) 準(zhǔn)（ eqvUL1642： 1995）[S].

[17]QB/T 2502-2000， 鋰離子蓄電池總規(guī)范 [S].

[18]GB/T 19521.11-2005， 鋰電池組危險貨物危險特性檢驗安全規(guī)范 [S].

[19]SN/T 1414.3-2004， 進出口蓄電池安全檢驗方法第 3 部分： 鋰離子蓄電池 [S].

[20] 劉延俊.液壓元件使用指南 [M].北京： 化學(xué)工業(yè)出版社， 2009.

[21] 許賢良.液壓傳動 [M].北京： 國防工業(yè)出版社， 2011.

科學(xué)家在實驗室中成功地模擬垂死恒星的極端環(huán)境

據(jù)報道，科學(xué)家們已經(jīng)成功地模擬出星系中最為惡劣的環(huán)境，通過極端環(huán)境實驗室參數(shù)設(shè)置，使他們更好地了解原子等粒子的行為。在本項研究中，科學(xué)家設(shè)置的條件與白矮星的表面環(huán)境相符，這是一種低質(zhì)量恒星演化后的天體，電子簡并壓力可支撐起整個天體質(zhì)量，其特點是具有非常強大的引力環(huán)境，有些白矮星在形成初期的溫度較高。除此之外，白矮星的磁場也是驚人強大，是地球的數(shù)十億倍。

令科學(xué)家感到不安的是，白矮星復(fù)雜的表面環(huán)境徹底地改變了原子物理，其行為也發(fā)生了較大的變化，類似這樣的極端環(huán)境在宇宙空間中是較為常見的，但要想在地球上重現(xiàn)卻相當(dāng)?shù)睦щy，甚至是不可能的。為了對白矮星環(huán)境進行模擬，英國薩里大學(xué)的研究小組使用了非常敏感的硅晶體，這是天體物理現(xiàn)象模擬上的重大材料突破，研究人員在硅晶體中加入了磷，因此在光譜實驗室中獲得了類似白矮星的磁場。結(jié)果顯示，在一些情況下，氫原子周圍的電子云可被重塑為各種形狀，比如細(xì)長的扇形。

劍橋天文學(xué)研究所保羅教授是該論文的另一作者，他認(rèn)為我們對氫原子的強磁場環(huán)境下的行為研究還不到一個世紀(jì)，但現(xiàn)在為止還沒有人能夠測試其在白矮星極端表面下的現(xiàn)象，我們很期待觀察會有何種情況發(fā)生。該研究小組目前正在尋找更復(fù)雜的原子和分子在白矮星極端環(huán)境下的行為。薩里大學(xué)博士后研究員埃利斯·鮑耶認(rèn)為這項研究不局限于天文學(xué)，對微小電子云的控制可讓我們設(shè)計出新的計算機芯片，這就是量子計算機。

（摘自騰訊科技）

Lithium Battery Safety Test Equipment Design--Com pression Test M achine

LIShu-hui
（CEPREI， Guangzhou 510610， China）

The safety of lithium batteries as a measure of important technical index of the batteries performance are concerned by the lithium battery manufacturers and consumer groups. The safety performance test equipment is not only a tool to inspect the battery safety performance，but also provides the test means for following-up R&D of battery safety.The lithium battery extrusion test requirements are discussed and summarized from the current lithium battery safety test standards.The design of the com pression equipment and its corresponding solutions are proposed.

safety test standards； test requirements； equipment design； hydraulic systems

TB 114.35

:B

:1672-5468（2014）01-0055-05

10.3969/j.issn.1672-5468.2014.01.013

2013-05-14

2013-05-20

李樹輝（1982-）， 男， 廣東云浮人， 工業(yè)和信息化部電子第五研究所賽寶質(zhì)量安全檢測中心工程師， 從事儀器設(shè)備的研制工作。