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鋰電池常見可靠性失效項目

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鋰電池常見可靠性失效項目

鋰離子電池的應用已經取得了巨大的成功，特別是其廣泛應用在了在移動電子產品。但不能忽視的是，自從鋰離子電池大規模商業化推廣以來，與其相關的安全事故就幾乎沒有停止過。鋰離子電池的安全性已經成為制約其進一步發展的關鍵因素。鑒于電池材料體系、制造過程一致性等原因，對鋰離子電池進行安全性檢測將非常的重要。
目前針對鋰離子電池的安全檢測標準在不斷的更新中，但其基本安全檢測模式已經成型，各種常見的檢測項目也已被廣泛接納和采用。在安全檢測項目中，每個檢測項目都模擬了一種用戶在使用過程中可能會發生的誤（濫）用情況。如過充電測試模擬的是保護電路板失效的情況。由于模擬的情況不同，鋰離子電池各個安全測試項目的難度顯然是不同的。根據實驗室的檢測經驗，過充電、 150℃熱沖擊、針刺、擠壓、高溫短路、重物沖擊等是經常發生失效（Fail）的項目。
由于內容設計面較多，因此我們將分期介紹并分析各種鋰電池測試項目的相關程序、標準要求、失效原因以及對應的解決方案。本期我們主要講一下鋰電池的熱沖擊測試項目。


01、熱沖擊：
以 CTIA 關于符合 IEEE1725 標準的認證程序為例，其中與熱沖擊有關的條款：
Section 4.2：
Test Procedure: 5 cells at 80% +/- 5%SOC to be placed in oven at ambient temperature. The oven temperature shall be ramped at 5 ± 2°C per minute to 150 ± 2°C. After 10 minutes at 150 ± 2°C, the test is complete.
Compliance: No fire, smoke, explosion or breaching of the cell is allowed within t he first 10 minutes. Venting is permitted.
Section 4.50：
Test Procedure: 5 fully charged cells (per cell manufacture's specifications) shall be suspended (no heat transfer allowed to non-integral cell components) in a gravity convection or circulating air oven at ambient temperature. The oven temperature shall beramped at 5 ± 2°C per minute to 130 ± 2°C. After 1hour at 130 ± 2°C, the test is ended.
Compliance: Cells shall not flame or explodewhen exposed to 130°C for 1h.


熱沖擊項目分析：
目前標準中熱沖擊項目要求不盡相同，最常見的是熱沖擊到130°C 并保持 1 小時。其它的要求如：130°C /0.5h，150°C/10min，150°C /0.5h。 其中 150°C /0.5h 熱沖擊條件最常出現失效的情況。


02、失效原因分析：
在熱沖擊測試過程中（如 150℃），只有內部烘箱的熱能、電池內部的活性物質的內能，以及貯存在鋰離子電池中的電能。即使是 150°C 的烘箱溫度也不會達到處于滿充狀態的電池中活性物質的著火點。那么很顯然電池失效的原因為電池內部物質電能或者是內能的釋放。足夠多的熱量被釋放出來后，將引起電池內部劇烈的化學反應，最后將導致被測物而失效（Fail）。


在本測試中，電池本身熱量產生的來源有以下幾種可能：

1）外部烘箱的熱量傳遞；

2）陽極化學反應的放熱；

3）陰極化學反應的放熱；

4）隔膜在高溫下收縮或融化，導致陰陽極短路而釋放出熱量。

如果陽極材料的熱穩定性差，高溫下 SEI 膜分解反應強烈，則陽極在達到 150℃后溫度會繼續上升，并且熱失控而放出大量熱。
如果陰極材料的熱穩定性差，高溫下其和電解液起反應（起始溫度約 150℃）所放出的熱量不斷積累后最終使電池內部溫度達到熱失控而大量放熱，此時發送此現象通常是在達到 150℃后的 10～15 分鐘左右。
鋰電池所有隔膜由于原料和工藝的不同，它的熱穩定性也有所不同。聚丙烯（PP）材料的隔膜熔點在 160℃左右，聚乙烯（PE）材料的隔膜熔點在 130℃左右，多層隔膜的熔點與其組成成分有關系。當整個電池做 150℃熱沖擊測試時，可以通過上面的原理進行分析。


03、解決方案建議：
如果出現熱沖擊測試失效，根據上述描述確定了電池的主要發熱源后，可以采用熱穩定性更高的材料來優化或者改變設計比例方式，使電極在滿充狀態時處于比較穩定的電壓狀態。
在鋰離子電池的安全檢測項目中，每個檢測項目都模擬了一種有可能發生的誤（濫）用情況。如過充電測試模擬的是保護 IC失效的情況。由于模擬的情況不同，鋰離子電池各個安全測試項目的難度顯然是不同的。根據檢測經驗，過充電、 150℃熱沖擊、針刺、擠壓、高溫短路、重物沖擊等是經常發生失效的項目。
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| 發布時間：2018.06.05    來源：國家信息技術國檢中心
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