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鋰離子電芯強制內部短路試驗解析!

點擊次數:1699 發布時間:2016-07-23

一、強制內部短路試驗試驗的起源歷史
  單電強制內部短路試驗,是由日本有關方面zui先提出的。提出此測試項目的原因是在2004年,日本某公司生產的筆記本電池發生起火,在詳細研究分析了電池起火的原因后,認為是在生產過程中,由于工藝控制疏漏,在鋰離子電池內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、負極之間的隔膜,導致電池內部短路,從而造成大量發熱引發電池起火。由于在生產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生。因此,試圖通過“強制內部短路試驗”模擬這種金屬微粒刺穿隔膜造成內部短路的情況,如果鋰離子電池能保證在試驗過程中不出現起火、爆炸危險,則可以有效保證即使在生產過程中電池內部混入了金屬微粒,也無法刺穿正負極之間的隔膜;或者即使刺穿隔膜并造成了內部短路,仍然不會產生?;松戇踩鈉鴰?、爆炸危險。

二、強制內部短路試驗試驗條件
  單電強制內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到試驗溫度;(4)施壓步驟。
1、試驗樣品的充電步驟
  單電池強制內部短路試驗是針對充滿電的單電池進行試驗,其充電條件為:分別在上限試驗溫度及下限試驗溫度下穩定1-4小時后,使用上限充電電壓及zui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zui大充電電流時,電芯表面的zui高溫度和zui低溫度,之所以選在上、下試驗溫度條件下充電,是根據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,該條件是根據目前市面上比較普遍的鋰離子電池(鈷酸鋰負極-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,則需要進行一定的試驗并補充資料依據。確定新上限充電電壓的考察內容包括:正極材料的結構穩定性、負極材料的鋰吸納性和電解液的結構穩定性等材料特性;確定新的上、下限試驗溫度時考察內容包括:正極材料的結構穩定性、電解液的結構穩定性等材料特性,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?;詬杭牧系娘胱游尚?、電解液的鋰離子移動度等(與溫度相應),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℃、結露點低于-25℃的環境下拆解單電池,并在正極活性物質與負極活性物質,以及正極鋁箔和負極活性物質之間放置下圖所示的小鎳片。之所以選在結露點低于-25℃的環境下拆解單電池,是為了防止水汽影響電池的內部化學環境。本步驟應該盡可能快的完成,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到試驗溫度
  將放置完小鎳片的單電池包卷好,包卷時應避免松弛,應一邊拉緊一邊回卷,并在鎳片的放置位置做好標記,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。此步驟是為了恢復電極體在解體前的狀態,并為接下來的假牙試驗做準備。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和自然環境對電池化學狀態的影響,因此應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是為了使電極體達到加壓試驗時的試驗溫度。如果拆解完電池后不能馬上進行施壓試驗,則包卷好的單電池在鋁箔密封袋中保存的時間應控制在12小時以內。
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行施加壓力,同時利用電壓表監測單電池輸出端電壓的變化,當觀測到有大于50mV的電壓降時,或者當施加壓力達到要求(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,能更好的控制內部短路時間和嚴酷等級。當施壓過程中出現50mV電壓降時,說明放入單電池內部的小鎳片已經在壓力作用下刺破電池隔膜而致使單電池發生了內部短路,此時即無需繼續施壓;如果施加壓力達到800N(方形電池施壓400N)時仍沒有電壓降出現,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部短路情況的發生。

三、強制內部短路試驗試驗要求
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-負極活性物質之間;
b、正極鋁箔-負極活性物質之間;

當正極鋁箔和負極活性物質之間沒有相對面時,則僅對正-負活性物質之間放置鎳片進行試驗。

 

圖1 正極活性物質-負極活性物質之間(圓形電池)

圖2 正極鋁箔-負極活性物質之間(圓形電池)

圖3 正極活性物質-負極活性物質之間(方形電池)

圖4 正極鋁箔-負極活性物質之間(方形電池)

   
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