锂电池常见可靠性失效项目

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锂电池常见可靠性失效项目

锂离子电池的应用已经取得了巨大的成功，特别是其广泛应用在了在移动电子产品。但不能忽视的是，自从锂离子电池大规模商业化推广以来，与其相关的安全事故就几乎没有停止过。锂离子电池的安全性已经成为制约其进一步发展的关键因素。鉴于电池材料体系、制造过程一致性等原因，对锂离子电池进行安全性检测将非常的重要。
目前针对锂离子电池的安全检测标准在不断的更新中，但其基本安全检测模式已经成型，各种常见的检测项目也已被广泛接纳和采用。在安全检测项目中，每个检测项目都模拟了一种用户在使用过程中可能会发生的误（滥）用情况。如过充电测试模拟的是保护电路板失效的情况。由于模拟的情况不同，锂离子电池各个安全测试项目的难度显然是不同的。根据实验室的检测经验，过充电、 150℃热冲击、针刺、挤压、高温短路、重物冲击等是经常发生失效（Fail）的项目。
由于内容设计面较多，因此我们将分期介绍并分析各种锂电池测试项目的相关程序、标准要求、失效原因以及对应的解决方案。本期我们主要讲一下锂电池的热冲击测试项目。

01、热冲击：
以 CTIA 关于符合 IEEE1725 标准的认证程序为例，其中与热冲击有关的条款：
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.

热冲击项目分析：
目前标准中热冲击项目要求不尽相同，最常见的是热冲击到130°C 并保持 1 小时。其它的要求如：130°C /0.5h，150°C/10min，150°C /0.5h。其中 150°C /0.5h 热冲击条件最常出现失效的情况。

02、失效原因分析：
在热冲击测试过程中（如 150℃），只有内部烘箱的热能、电池内部的活性物质的内能，以及贮存在锂离子电池中的电能。即使是 150°C 的烘箱温度也不会达到处于满充状态的电池中活性物质的着火点。那么很显然电池失效的原因为电池内部物质电能或者是内能的释放。足够多的热量被释放出来后，将引起电池内部剧烈的化学反应，最后将导致被测物而失效（Fail）。

在本测试中，电池本身热量产生的来源有以下几种可能：

1）外部烘箱的热量传递；

2）阳极化学反应的放热；

3）阴极化学反应的放热；

4）隔膜在高温下收缩或融化，导致阴阳极短路而释放出热量。

如果阳极材料的热稳定性差，高温下 SEI 膜分解反应强烈，则阳极在达到 150℃后温度会继续上升，并且热失控而放出大量热。
如果阴极材料的热稳定性差，高温下其和电解液起反应（起始温度约 150℃）所放出的热量不断积累后最终使电池内部温度达到热失控而大量放热，此时发送此现象通常是在达到 150℃后的 10～15 分钟左右。
锂电池所有隔膜由于原料和工艺的不同，它的热稳定性也有所不同。聚丙烯（PP）材料的隔膜熔点在 160℃左右，聚乙烯（PE）材料的隔膜熔点在 130℃左右，多层隔膜的熔点与其组成成分有关系。当整个电池做 150℃热冲击测试时，可以通过上面的原理进行分析。

03、解决方案建议：
如果出现热冲击测试失效，根据上述描述确定了电池的主要发热源后，可以采用热稳定性更高的材料来优化或者改变设计比例方式，使电极在满充状态时处于比较稳定的电压状态。
在锂离子电池的安全检测项目中，每个检测项目都模拟了一种有可能发生的误（滥）用情况。如过充电测试模拟的是保护 IC失效的情况。由于模拟的情况不同，锂离子电池各个安全测试项目的难度显然是不同的。根据检测经验，过充电、 150℃热冲击、针刺、挤压、高温短路、重物冲击等是经常发生失效的项目。
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| 发布时间：2018.06.05 来源：国家信息技术国检中心

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