蔡春皓，段冀淵，壽曉立，楊榮靜

(中華人民共和國上海出入境檢驗(yàn)檢疫局，上海 200135)

淺談現(xiàn)有鋰離子電池檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

蔡春皓，段冀淵，壽曉立，楊榮靜

(中華人民共和國上海出入境檢驗(yàn)檢疫局，上海 200135)

從適用范圍、判定依據(jù)的角度，對(duì)現(xiàn)有的國內(nèi)外鋰離子電池檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，如國際電工委員會(huì)(IEC)、電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)、美國保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室(UL)和國家標(biāo)準(zhǔn)(GB)等進(jìn)行分析，提出現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)在判定中缺乏定量指標(biāo)的不足。

鋰離子電池; 安全性能; 檢測(cè); 標(biāo)準(zhǔn)

由于安全問題而發(fā)生鋰離子電池產(chǎn)品召回的案例日益增多［1］。Li+的活性和高能量密度的特性，會(huì)給鋰離子電池安全性帶來較大的問題。目前，對(duì)鋰離子電池的安全性能，尤其是一些潛在的微小結(jié)構(gòu)缺陷所帶來的安全隱患的篩查，檢驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)落后于鋰離子電池技術(shù)的發(fā)展，評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)體系尚未適應(yīng)鋰離子電池安全性能評(píng)估的要求。

有鑒于此，本文作者對(duì)國內(nèi)外現(xiàn)有的一些具有代表性的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了歸納和分析，以期為檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展提供參考。

1 電池安全性能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介

目前，應(yīng)用得較為廣泛的國際標(biāo)準(zhǔn)是國際電工委員會(huì)(IEC)的鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)各自的需求，國際航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)(IATA)、聯(lián)合國危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸專家委員會(huì)及國際民用航空組織(ICAO)等機(jī)構(gòu)，也制定了相關(guān)的鋰離子電池運(yùn)輸安全標(biāo)準(zhǔn)，并得到廣泛應(yīng)用。此外，一些國家及組織，如美國保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室(UL)、美國電氣及電子工程師學(xué)會(huì)(IEEE)和日本國家標(biāo)準(zhǔn)局(JIS)制定的關(guān)于鋰離子電池的安全標(biāo)準(zhǔn)，也有廣泛的影響。這些標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)項(xiàng)目相似，但是測(cè)試的條件有所不同。

應(yīng)用較多、影響范圍較廣泛的國際標(biāo)準(zhǔn)有4個(gè)。聯(lián)合國《聯(lián)合國危險(xiǎn)物品運(yùn)輸試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)》(UN 38.3)［2］和IEC 62281:2012《運(yùn)輸中鋰原電池和電池組及鋰蓄電池和電池組的安全》［3］均側(cè)重于鋰離子電池在運(yùn)輸中的安全測(cè)試和安全要求，主要針對(duì)鋰離子電池在運(yùn)輸過程中的外部環(huán)境及機(jī)械振動(dòng)進(jìn)行模擬，試驗(yàn)項(xiàng)目包括高度模擬、溫度試驗(yàn)、振動(dòng)、沖擊、外短路、撞擊、過度充電和強(qiáng)制放電等8項(xiàng)，要求電池在測(cè)試過程中，應(yīng)保證包裝不脫落、不變形、無質(zhì)量損失、不漏液、不泄放、不短路、不破裂、不爆炸且不著火。UL 1642:2009《鋰電池》［4］適用于在產(chǎn)品中作電源用的一次(非充電的)和二次(可充電的)鋰電池，標(biāo)準(zhǔn)的目的是減少鋰電池在產(chǎn)品使用時(shí)著火或爆炸的危險(xiǎn)。標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于電池的電性能測(cè)試，包括短路試驗(yàn)、不正常充電試驗(yàn)和強(qiáng)制放電試驗(yàn);機(jī)械試驗(yàn)包括擠壓試驗(yàn)、撞擊試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)和振動(dòng)試驗(yàn);環(huán)境試驗(yàn)包括熱濫用、溫度循環(huán)試驗(yàn)、高空模擬試驗(yàn)和拋射體試驗(yàn)等。試驗(yàn)要求，被測(cè)電池在試驗(yàn)過程中不起火、不爆炸、不漏液、不排氣、不燃燒，且包裝不破裂。IEEE 1625:2008《筆記本電腦用可充電電池標(biāo)準(zhǔn)》［5］和IEEE 1725:2006《移動(dòng)電話用可充電電池標(biāo)準(zhǔn)》［6］主要是對(duì)便攜式計(jì)算機(jī)和蜂窩電話用蓄電池的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和開發(fā)建立統(tǒng)一的準(zhǔn)則，主要涉及電池和電池組有關(guān)的電子、物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、加工流程、質(zhì)量控制及包裝技術(shù)等領(lǐng)域。相對(duì)于其他電池標(biāo)準(zhǔn)普遍重視電池或電池組的情況，上述標(biāo)準(zhǔn)分別對(duì)電芯、電池、主機(jī)節(jié)點(diǎn)、電源附件、消費(fèi)者和環(huán)境等幾個(gè)方面進(jìn)行了綜合性考慮。這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)均側(cè)重于設(shè)計(jì)和制造過程，針對(duì)電池后期的使用問題，尤其是安全性問題涉及不多。

目前，國內(nèi)外常用的鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)列表歸納于表1。

表1 國內(nèi)外常用的鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)Table 1 The common standards for Li-ion battery of domestic and overseas

2 現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的側(cè)重點(diǎn)分析

現(xiàn)行的主要標(biāo)準(zhǔn)可概括為以下幾類:

2.1 主要針對(duì)運(yùn)輸過程中的外部環(huán)境和機(jī)械振動(dòng)

如UN38.3、IEC 62281:2012等，通過高度模擬、溫度試驗(yàn)、振動(dòng)、沖擊、外短路和撞擊等測(cè)試項(xiàng)目，模擬鋰離子電池在運(yùn)輸過程中可能發(fā)生的危險(xiǎn)，對(duì)于鋰離子電池在使用過程中的安全問題涉及較少。

2.2 主要針對(duì)設(shè)計(jì)和制造過程

如IEEE1625、IEEE1725等。以IEEE1725為例，標(biāo)準(zhǔn)將手機(jī)鋰離子電池系統(tǒng)分為4個(gè)板塊，即電芯、電池組、主機(jī)及電池充電器部分，全面明確地對(duì)電芯的設(shè)計(jì)、原材料、制造工藝和成品測(cè)試評(píng)估等進(jìn)行了要求，為電芯乃至手機(jī)等通信產(chǎn)品的安全性提供可靠評(píng)估保障。上述標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)電池的設(shè)計(jì)和制造過程，對(duì)于鋰離子電池后期使用中的安全問題涉及不多。且諸如此類的IEEE鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)，由于對(duì)象為不同設(shè)備中的鋰離子電池的設(shè)計(jì)和制造，針對(duì)性較強(qiáng)，適用范圍受到一定的限制。

2.3 主要針對(duì)鋰離子電池電性能和安全性

如UL1642、GB8897.4等，通過短路、不正常充電、強(qiáng)制放電試驗(yàn)擠壓、撞擊、沖擊、振動(dòng)、熱濫用、溫度循環(huán)、高空模擬試驗(yàn)及拋射體等測(cè)試項(xiàng)目，要求被測(cè)鋰離子電池在試驗(yàn)過程中不起火、不爆炸、不漏液、不排氣、不燃燒且包裝不破裂。比較上述兩類標(biāo)準(zhǔn)，此類標(biāo)準(zhǔn)的核心是鋰離子電池的安全性，更注意溫度導(dǎo)致的電池安全風(fēng)險(xiǎn)，但判定依據(jù)難以量化，只能用被測(cè)電池的爆炸、起火、冒煙、泄漏、破裂和變形等來區(qū)分，不利于檢出可能存在潛在危險(xiǎn)的電池。

3 現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的不足

過充過程成為了導(dǎo)致鋰離子電池發(fā)生不安全行為的危險(xiǎn)因素:當(dāng)發(fā)生過充時(shí)，由于發(fā)生了不可逆的化學(xué)反應(yīng)，電能轉(zhuǎn)變成熱能，導(dǎo)致電池溫度迅速升高，從而引發(fā)一系列的化學(xué)反應(yīng)。尤其是當(dāng)散熱性較差時(shí)，往往導(dǎo)致比單純的熱沖擊更嚴(yán)重的問題，可能發(fā)生電池起火，甚至爆炸。

根據(jù)對(duì)現(xiàn)有主要標(biāo)準(zhǔn)的分析不難發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鋰離子電池安全性能的檢測(cè)方法和評(píng)判依據(jù)還顯得不足。這些標(biāo)準(zhǔn)中，有部分是針對(duì)鋰離子電池的外部環(huán)境和設(shè)計(jì)制造過程的標(biāo)準(zhǔn);即便是針對(duì)安全性能的標(biāo)準(zhǔn)，也缺少明確的可量化衡量的檢測(cè)方法和評(píng)判體系，尤其是爆炸、起火、冒煙、泄漏、破裂和變形等判斷依據(jù)，過于寬泛。

迫切需要一種針對(duì)鋰離子電池?zé)嵝?yīng)及電池溫度變化，可定量分析并判定安全風(fēng)險(xiǎn)的檢測(cè)方法。近幾年，國內(nèi)外研究者在不斷研究更科學(xué)、高效的檢測(cè)方法和手段，其中通過對(duì)于熱效應(yīng)及電池溫度方面的研究，取得不少進(jìn)展［14－15］。通過檢測(cè)電池的表面溫度，結(jié)合電化學(xué)模型，利用量熱法計(jì)算得到電池充電過程中放出的熱量和熱傳導(dǎo)系數(shù)，之后建立熱效應(yīng)理論模型，可模擬計(jì)算電池內(nèi)部的溫度，進(jìn)而來描述電池的熱行為。人們已經(jīng)建立了多種類型的熱效應(yīng)模型［16］，但采取的測(cè)溫手段主要是傳統(tǒng)的熱電偶測(cè)溫法。熱電偶操作比較復(fù)雜，且只能有限布點(diǎn)，不能全面地掌握樣品溫度分布;同時(shí)，熱電偶還帶有延時(shí)性，不能及時(shí)反映鋰離子電池的溫度變化情況，不利于建立實(shí)時(shí)溫度變化曲線［17］。

在理論研究方面，目前，人們傾向于利用理論模擬的方法體現(xiàn)鋰離子電池的熱安全性能，并設(shè)計(jì)了很多模型，通過分析熱性能來計(jì)算，得到鋰離子電池在不同工作環(huán)境下的溫度曲線［18］。這些理論模型的原理是通過測(cè)量鋰離子電池的表面溫度來評(píng)價(jià)內(nèi)部溫度，再與利用熱電偶等方式測(cè)出的溫度進(jìn)行比對(duì)，一方面說明理論模型的預(yù)判性和正確性;另一方面對(duì)安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)。理論模型的建立可以使學(xué)者對(duì)于鋰離子電池的熱效應(yīng)有較全面的認(rèn)識(shí)，但對(duì)于安全性能的檢測(cè)和評(píng)價(jià)卻不直觀。

4 結(jié)束語

安全性能已經(jīng)成為鋰離子電池的一個(gè)重要指標(biāo)，成為除成本因素外另一個(gè)制約鋰離子電池應(yīng)用的關(guān)鍵指標(biāo)。由于鋰離子電池的特性，在最初的使用階段并不會(huì)顯示出電化學(xué)行為的異常。這些潛在的缺陷給判斷鋰離子電池是否合格帶來困難。本文作者歸納和總結(jié)了國內(nèi)外常用的鋰離子電池安全性能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，通過分析發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)外對(duì)鋰離子電池安全性的潛在風(fēng)險(xiǎn)缺乏檢測(cè)方法和評(píng)判依據(jù)，未形成快速、有效的鋰離子電池安全性檢測(cè)方法或篩選方法。

隨著消費(fèi)者對(duì)鋰離子電池電性能及安全性要求的日益提升，各電池制造商以及各國主管部門、行業(yè)協(xié)會(huì)等有必要對(duì)鋰離子電池安全性能的檢測(cè)手段進(jìn)行研究，建立一套直觀、快速、有效的檢測(cè)方法，在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)體系的范圍內(nèi)，提高要求，進(jìn)一步細(xì)化標(biāo)準(zhǔn)，明確判定依據(jù)，彌補(bǔ)現(xiàn)有鋰離子電池檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和體系的不足，提高鋰離子電池安全性能檢測(cè)水平，保證鋰離子電池行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，維護(hù)消費(fèi)者在電池使用過程中的安全。

［1］TONG Sheng-hua(童生華).透過鋰離子電池安全事件看標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.World Standards News(世界標(biāo)準(zhǔn)信息)，2008，7:39－43.

［2］UN 38.3，聯(lián)合國危險(xiǎn)物品運(yùn)輸試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)［S］.

［3］IEC 62281:2012，Safety of primary and secondary lithium cells and batteries during transport［S］.

［4］UL 1642:2009，Lithium Batteries［S］.

［5］IEEE 1625:2008，IEEE standard for rechargeable batteries for multi-cell mobile computing devices［S］.

［6］IEEE 1725:2006，IEEE standard for rechargeable batteries for cellular telephones［S］.

［7］IEC62133:2012，Or portable sealed secondary cells，and for batteries made from them，for use in portable applications［S］.

［8］IEC 61960:2003，Secondary cells and batteries containing alkaline or other non-acid electrolytes secondary lithium cells and batteries for portable applications［S］.

［9］ICAO Doc9284-AN/905，Technical instructions on the safe transport of dangerous goods by air［S］.

［10］UL2054:2009，Household and commercial batteries［S］.

［11］JIS C 8714:2007，Safety tests for portable lithium ion secondary cells and batteries for use in portable electronic applications［S］.

［12］GB/T 18287:2013，蜂窩電話用鋰離子電池總規(guī)范［S］.

［13］GB 8897.4:2008，原電池 第4部分:鋰電池的安全要求［S］.

［14］Al-Hallaj S，Maleki H，Hong J S，et al.Thermal modeling and design considerations of lithium-ion batteries［J］.J Power Sources，1999，83(1－2):1－8.

［15］Ritchie A，Howard W.Recent developments and likely advances in lithium-ion batteries［J］.J Power Sources，2006，162(2):809 －812.

［16］Gomadam P M，White R E，Weidner J W.Modeling heat conduction in spiral geometries［J］.J Electrochem Soc，2003，150(10):A1 339－A1 345.

［17］WANG Qing-song(王青松)，SUN Jin-hua(孫金華)，CHEN Sining(陳思凝).鋰離子電池?zé)岚踩缘难芯窟M(jìn)展［J］.Battery Bimonthly(電池)，2005，35(3):240 －241.

［18］Kim G H，Pesaran A，Spotnitz R.A three-dimensional thermal abuse model for lithium-ion cells［J］.J Power Sources，2007，170(2):476－489.

Brief perception on testing standards of Li-ion battery

CAI Chun-hao， DUAN Ji-yuan，SHOU Xiao-li，YANG Rong-jing

(Shanghai Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau of the People’s Republic of China，Shanghai200135，China)

Domestic and overseas inspection standards for Li-ion battery，such as International Electrotechnical Commission(IEC)，

Institute of Electrical and Electronics Engineers(IEEE)，Underwriter Laboratories Inc.(UL)and China National Standard(GB)were summarized from the scope of application and criterion.The shortages of lack of quantitative indicators of present standards were pointed out.

Li-ion battery; safety performance; testing;standard

TM912.9

A

1001－1579(2015)03－0121－03

蔡春皓(1969－)，男，江蘇人，中華人民共和國上海出入境檢驗(yàn)檢疫局副局長(zhǎng)，研究方向:檢驗(yàn)監(jiān)管;

段冀淵(1980－)，男，山東人，中華人民共和國上海出入境檢驗(yàn)檢疫局副處長(zhǎng)，工程師，研究方向:檢驗(yàn)監(jiān)管，本文聯(lián)系人;

壽曉立(1987－)，男，浙江人，中華人民共和國上海出入境檢驗(yàn)檢疫局科員，助理經(jīng)濟(jì)師，研究方向:檢驗(yàn)監(jiān)管;

楊榮靜(1977－)，女，山東人，中華人民共和國上海出入境檢驗(yàn)檢疫局副科長(zhǎng)，工程師，研究方向:檢驗(yàn)監(jiān)管。

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAK26B04)

2014－10－29