强制内短路测试

锂离子单电池强制内部短路试验

日期：2010-12-17 点击( 1222 )

Forced internal short circuit test of lithium ion cells

彭琦，刘群兴，叶耀良（中国赛宝实验室，广东广州 510610）

PENG Qi, LIU Qun-xing, YE Yao-liang (China CEPREI Laboratory, Guangdong

Guangzhou 510610)

摘要：本文阐述了JIS C 8714：2007标准中单电池强制内部短路试验条件和方法，说明了各个试验步骤的要求和意图，总结了内部短路试验的注意事项，介绍了试验设备，并对强制内部短路试验的有效性进行了探讨。

Abstract: This paper introduces the test requirement and procedure for forced internal short circuit test of lithium ion cells in standard JIS C 8714：2007. It introduces test equipment, the requirement and purpose for each test step, summarized the notes for the forced internal short circuit test, and also studies the efficiency for this test.

关键词：锂离子；单电池；JIS C 8714；强制内部短路；上限试验温度；下限试验温度

Key words: lithium ion; cell; JIS C 8714; forced internal short circuit test; highest test temperature; lowest test temperature

1.引言

2004年，日本某公司生产的笔记本电池发生起火事件，在详细研究分析了电池起火的原因后，认为是由于锂离子电池内部混入了金属小微粒造成的内部短路引起的电池起火。日本有关方面据此提出了“单电池强制内部短路试验”（单电池即电芯），并写入JIS C 8714:2007标准。2008年11月，日本政府正式推出锂离子蓄电池PSE认证要求，对2008年11月20号以后出口到日本的锂离子电池，凡是符合日本《电器用品安全法》中规定对象的都必须经过PSE认证，而“单电池强制内部短路试验”作为锂离子电池PSE认证的一个重要试验项目，成为进入日本的锂离子电池的一个重要技术壁垒。“单电池强制内部短路

试验”是一个全新的试验项目，之前各种标准中并没有类似的试验内容。本文将向读者介绍“单电池强制内部短路试验”的试验条件和设备方法，并对其有效性进行探讨。

2.单电池强制内部短路试验的目的

“单电池强制内部短路试验”，是由日本有关方面最先提出的。2004年，日本某公司生产的笔记本电池发生起火，在详细研究分析了电池起火的原因后，认为是由于在生产过程中，由于工艺控制疏漏，在锂离子电池内部混入了极微小的金属微粒，在电池使用中由于温度变化或各种撞击，金属微粒刺穿正、负极之间的隔膜，导致了电池内部短路，从而造成大量发热引发电池起火。由于在生产过程中混入金属微粒属于偶然事件，很难完全防止这种事情的发生。因此试图通过“强制内部短路试验”模拟这种金属微粒刺穿隔膜造成内部短路的情况，如果锂离子电池能保证在试验过程中不出现起火、爆炸危险，则可以有效保证即使在生产过程中电池内部混入了金属微粒，也无法刺穿正负极之间的隔膜；或者即使刺穿隔膜并造成了内部短路，仍然不会产生危及人身安全的起火、爆炸危险。

3.单电池强制内部短路试验条件

“单电池强制内部短路试验”的试验样品数量为10个，上、下限试验条件下各5个。其试验步骤分为：1.为试验进行的充电步骤；2.拆解电池放置小镍片；3.包卷回电池并使电池达到试验温度；4.施压步骤。3.1 为试验进行的充电步骤

“单电池强制内部短路试验”是对充满电的单电池进行试验，其充电条件为：分别在上限试验温度及下限试验温度下稳定1-4小时后，使用上限充电电压及最大充电电流，充电至定电压充电控制时的电流值变为0.05ItA为止。上、下限试验温度表示电池可使用上限充电电压及最大充电电流时，电芯表面的最高温度和最低温度，之所以选在上、下限试验温度条件下充电，是根据锂电池的材料特性制定出来的。JIS C 8714提出的上、下限试验温度分别是45℃和10℃，上限充电电压为4.25V，该条件是根据目前市面上比较普遍的锂离子电池（钴酸锂负极-碳正极）材料特性制定的，并不能代表所有的锂电池。JIS C 8714中提出，如果需要采用新的上、下限试验温度和上限充电电压，则需要进行一定的试验并补充资料依据。确定新上限充电电压的考察内容包括：正极材料的结构稳定性、负极材料的锂吸纳性和电解液的结构稳定性等材料特性；确定新的上、下限试验温度时的考察内容包括：正极材料的结构稳定性、电解液的结构稳定性等材料特性，需保证在新上限试验温度下的已充电电池的安全性，并且在新上限试验温度中加上5℃适用JIS C

8714 第5.1款的充电条件，且符合第5.2～5.5款的试验要求；基于负极材料的锂离子吸纳性、电解液的锂离子移动度等（与温度相应），需保证在新下限试验温度下的已充电电池的安全性，并且在新下限试验温度中加上-5℃适用5.1款的充电条件，且符合5.2～5.5款的试验要求。

3.2 拆解单电池并放置小镍片

在周围温度20℃±5℃、结露点低于-25℃的环境下拆解单电池，并在正极活性物质与负极活性物质，以及正极铝箔和负极活性物质之间放置图1所示的小镍片。之所以选在结露点低于-25℃的环境下拆解单电池，是为了防止水汽影响电池的内部化学环境。本步骤应该尽可能快的完成，以尽可能减少拆解过程中电解液的蒸发及水汽对电池特性的影响。

图1

3.3 包卷回电池并使电池达到试验温度

将放置完小镍片的单电池包卷好，包卷时应避免松弛，应一边拉紧一边回卷，并在镍片的放置位置做好标记，然后放入密封的聚乙烯袋中，并将封口后的聚乙烯袋装入到铝箔片制成的密封袋中，分别在上限（下限）试验温度加上（减去）5℃的条件下放置（45±15）min。此步骤是为了恢复电极体在解体前的状态，并为接下来的加压试验做准备。之所以要将包卷好的单电池放入密封袋中，主要是防止电解液的蒸发和自然环境对电池化学状态的影响，因此应选用容积尽可能小的密封袋。另外，在上限（下限）试验温度加上（减去）5℃的条件下放置（45±15）min是为了使电极体达到加压试验时的试验温度。如果拆解完电池后不能马上进行加压试验，则包卷好的单电池在铝箔密封袋中保存的时间应控制在12小时以内。

3.4 施压步骤

在上、下限温度条件下，使用图2的加压工装，以0.1mm/s的速度对单电池放置有小镍片的部位施加压力，同时利用电压表监测单电池输出端电压的变化，当观测到有大于50mV的电压降时，或者当施加的压力达到要求（圆柱形电池800N，方形电池400N）时，即停止降低加压工具并保持30s，然后撤除