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鋰離子電池強(qiáng)制內(nèi)部短路試驗解析

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人氣：-發(fā)表時間：2016-06-04 09:21【大中小】

一、試驗的起源歷史
單電池強(qiáng)制內(nèi)部短路試驗，是由日本有關(guān)方面最先提出的。提出此測試項目的原因是在2004年，日本某公司生產(chǎn)的筆記本電池發(fā)生起火，在詳細(xì)研究分析了電池起火的原因后，認(rèn)為是在生產(chǎn)過程中，由于工藝控制疏漏，在鋰離子電池內(nèi)部混入了極微小的金屬微粒，在電池使用中由于溫度變化或各種撞擊，金屬微粒刺穿正、負(fù)極之間的隔膜，導(dǎo)致電池內(nèi)部短路，從而造成大量發(fā)熱引發(fā)電池起火。由于在生產(chǎn)過程中混入金屬微粒屬于偶然事件，很難完全放置這種事情的發(fā)生。因此，試圖通過“強(qiáng)制內(nèi)部短路試驗”模擬這種金屬微粒刺穿隔膜造成內(nèi)部短路的情況，如果鋰離子電池能保證在試驗過程中不出現(xiàn)起火、爆炸危險，則可以有效保證即使在生產(chǎn)過程中電池內(nèi)部混入了金屬微粒，也無法刺穿正負(fù)極之間的隔膜；或者即使刺穿隔膜并造成了內(nèi)部短路，仍然不會產(chǎn)生危機(jī)人身安全的起火、爆炸危險。

二、試驗條件
單電池強(qiáng)制內(nèi)部短路試驗的樣品量為10pcs，上、下限試驗條件個5pcs。試驗步驟：
（1）試驗樣品的充電步驟；（2）拆解電池放置小鎳片；（3）包卷回電池并使電池達(dá)到試驗溫度；（4）施壓步驟。
1、試驗樣品的充電步驟
單電池強(qiáng)制內(nèi)部短路試驗是針對充滿電的單電池進(jìn)行試驗，其充電條件為：分別在上限試驗溫度及下限試驗溫度下穩(wěn)定1-4小時后，使用上限充電電壓及最大充電電流，充電至0.05C為止。上下限試驗溫度表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，之所以選在上、下試驗溫度條件下充電，是根據(jù)鋰電池的材料特性制定出來的。JIS C 8714提出的上、下限溫度分別為45℃和10℃，上限充電電壓為4.25V，該條件是根據(jù)目前市面上比較普遍的鋰離子電池（鈷酸鋰負(fù)極-碳正極）材料特性制定的，并不代表所以的鋰電池。
如果采用新的上下限試驗溫度和上限充電電壓，則需要進(jìn)行一定的試驗并補(bǔ)充資料依據(jù)。確定新上限充電電壓的考察內(nèi)容包括：正極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、負(fù)極材料的鋰吸納性和電解液的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等材料特性；確定新的上、下限試驗溫度時考察內(nèi)容包括：正極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、電解液的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等材料特性，需要保證在新上限試驗溫度下的已充電電池的安全性，并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5.2~5.5款的試驗要求?；谪?fù)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(yīng)），需保證在新下限試驗溫度下的已充電電池的安全性，并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的試驗要求。
2、拆解單電池并放置小鎳片
在周圍溫度20℃±5℃、結(jié)露點(diǎn)低于-25℃的環(huán)境下拆解單電池，并在正極活性物質(zhì)與負(fù)極活性物質(zhì)，以及正極鋁箔和負(fù)極活性物質(zhì)之間放置下圖所示的小鎳片。之所以選在結(jié)露點(diǎn)低于-25℃的環(huán)境下拆解單電池，是為了防止水汽影響電池的內(nèi)部化學(xué)環(huán)境。本步驟應(yīng)該盡可能快的完成，以盡可能減少拆解過程中電解液的蒸汽及水汽對電池特性的影響。
3、包卷回電池并使電池達(dá)到試驗溫度
將放置完小鎳片的單電池包卷好，包卷時應(yīng)避免松弛，應(yīng)一邊拉緊一邊回卷，并在鎳片的放置位置做好標(biāo)記，然后放入密封的聚乙烯袋中，并將封口后的聚乙烯袋裝入到鋁箔片制成的密封袋中，分別在上限（下限）試驗溫度加上（減去）5℃的條件下放置（45±15）min。此步驟是為了恢復(fù)電極體在解體前的狀態(tài)，并為接下來的假牙試驗做準(zhǔn)備。之所以要將包卷好的單電池放入密封袋中，主要是防止電解液的蒸發(fā)和自然環(huán)境對電池化學(xué)狀態(tài)的影響，因此應(yīng)選用容積盡可能小的密封袋。另外，在上限（下限）試驗溫度加上（減去）5℃放置（45±15）min是為了使電極體達(dá)到加壓試驗時的試驗溫度。如果拆解完電池后不能馬上進(jìn)行施壓試驗，則包卷好的單電池在鋁箔密封袋中保存的時間應(yīng)控制在12小時以內(nèi)。
4、施壓步驟
在上、下限溫度條件下，使用下圖中的加壓工裝，以0.1mm/s的速度對單電池放置有小鎳片的部位進(jìn)行施加壓力，同時利用電壓表監(jiān)測單電池輸出端電壓的變化，當(dāng)觀測到有大于50mV的電壓降時，或者當(dāng)施加壓力達(dá)到要求（圓柱形電池800N，方形電池400N）時，即停止降低加壓工具并保持30s，然后撤出壓力。采用0.1mm/s如此慢的施壓速度，能更好的控制內(nèi)部短路時間和嚴(yán)酷等級。當(dāng)施壓過程中出現(xiàn)50mV電壓降時，說明放入單電池內(nèi)部的小鎳片已經(jīng)在壓力作用下刺破電池隔膜而致使單電池發(fā)生了內(nèi)部短路，此時即無需繼續(xù)施壓；如果施加壓力達(dá)到800N（方形電池施壓400N）時仍沒有電壓降出現(xiàn)，說明單電池的隔膜可以有效防止小鎳片的刺穿，這樣也能防止單電池混入金屬小微粒后內(nèi)部短路情況的發(fā)生。

三、試驗要求
試驗要求：電池在試驗過程中不起火。
在此試驗中，鎳片的放置這個步驟顯得尤為重要。下面介紹兩種類型電池的鎳片放置位置，見如下：
a、正極活性物質(zhì)-負(fù)極活性物質(zhì)之間；
b、正極鋁箔-負(fù)極活性物質(zhì)之間；

當(dāng)正極鋁箔和負(fù)極活性物質(zhì)之間沒有相對面時，則僅對正-負(fù)活性物質(zhì)之間放置鎳片進(jìn)行試驗。