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锂离子电芯强制内部短路试验解析



一、强制内部短路试验试验的起源历史
  单电强制内部短路试验,是由日本有关方面最先提出的。提出此测试项目的原因是在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,很难完全放置这种事情的发生。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,仍然不会产生危机人身安全的起火、爆炸危险。

二、强制内部短路试验试验条件
  单电强制内部短路试验的样品量为10pcs,上、下限试验条件个5pcs。试验步骤:
 (1)试验样品的充电步骤;(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。
1、试验样品的充电步骤
  单电池强制内部短路试验是针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0.05C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、下限温度分别为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,并不代表所以的锂电池。
  如果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,需要保证在新上限试验温度下的已充电电池的安全性,并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的试验要求。
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下图所示的小镍片。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汽及水汽对电池特性的影响。
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,并为接下来的假牙试验做准备。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℃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施压试验,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。
4、施压步骤
  在上、下限温度条件下,使用下图中的加压工装,以0.1mm/s的速度对单电池放置有小镍片的部位进行施加压力,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,然后撤出压力。采用0.1mm/s如此慢的施压速度,能更好的控制内部短路时间和严酷等级。当施压过程中出现50mV电压降时,说明放入单电池内部的小镍片已经在压力作用下刺破电池隔膜而致使单电池发生了内部短路,此时即无需继续施压;如果施加压力达到800N(方形电池施压400N)时仍没有电压降出现,说明单电池的隔膜可以有效防止小镍片的刺穿,这样也能防止单电池混入金属小微粒后内部短路情况的发生。

三、强制内部短路试验试验要求
试验要求:电池在试验过程中不起火。 
在此试验中,镍片的放置这个步骤显得尤为重要。下面介绍两种类型电池的镍片放置位置,见如下:
a、正极活性物质-负极活性物质之间;
b、正极铝箔-负极活性物质之间;

当正极铝箔和负极活性物质之间没有相对面时,则仅对正-负活性物质之间放置镍片进行试验。

 

图1 正极活性物质-负极活性物质之间(圆形电池)

图2 正极铝箔-负极活性物质之间(圆形电池)

图3 正极活性物质-负极活性物质之间(方形电池)

图4 正极铝箔-负极活性物质之间(方形电池)

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