1、介紹

在日本生產(chǎn)的二次鋰電池早已有了定型模式.但是,近年來(lái)又開始著手于圓柱形和菱柱型電池的工作.國(guó)際電氣工藝組織開始準(zhǔn)備一系列新的電池標(biāo)準(zhǔn),包括安全標(biāo)準(zhǔn).另一方面對(duì)于因容量變大而引起事故的一些第二代鋰電池安全性的確保工作越來(lái)越重要.不要將過去出現(xiàn)的問題在將來(lái)重現(xiàn).

對(duì)于二次鋰電池的安全問題,需要學(xué)習(xí)電池充電方面的安全技術(shù)以及已充電電池的放電安全技術(shù).

2. 概述

這個(gè)方針介紹了電池制造商將要完成的最小安全標(biāo)準(zhǔn).該方針適用于螺旋電極和分層結(jié)構(gòu)的圓柱形和菱柱形電池,并且這些電池是作為小型手提式工具的電源,容量范圍在100 5000mAh.該方針對(duì)于一些一直在生產(chǎn)的電池的電池廠家同樣適用,在今后也會(huì)開始運(yùn)用.

這個(gè)方針通過對(duì)假設(shè)的各種不安全模式進(jìn)行評(píng)估測(cè)試,從而判斷,提高安全水平和質(zhì)量.

二、第二代鋰電池評(píng)估指導(dǎo)

1、目的電池

在這本指導(dǎo)手冊(cè)中作取樣電池的是用于小型手提式工具的二次鋰電池.

(*1):在這些例子中,電力能源指的是工具的移動(dòng)電力能源,因此不包括一些備份內(nèi)存.

以往在市場(chǎng)上廣泛使用的鋰電池沒有列入該手冊(cè)中,因?yàn)槟切╇姵氐男吞?hào)更小,他們通過的限制電流的電容也較小,因此,從安全性能方面考慮的危險(xiǎn)系數(shù)是可以忽略的.

在該手冊(cè)中,要求的二次鋰電池屬于以下幾種分類:

(1) 作為輕便的電動(dòng)工具的電力能源

(2) 螺旋電極和分層結(jié)構(gòu)的圓柱形和菱柱形電池

(3) 圓柱形電池的尺寸在D 和N 之間

(4) 菱柱形電池的容量在100 至5000mAh

(5) 只能是電池,包括集合電池

(*2)集合電池被包括在其中是因?yàn)樵诂F(xiàn)階段,集合電池更難規(guī)定或表示其外形,結(jié)構(gòu),尺寸.集合電池的介紹手冊(cè)將今后適當(dāng)?shù)碾A段準(zhǔn)備.

2.手冊(cè)要領(lǐng)

安全評(píng)估的過程是安排在電池正常使用中,或者是在可以預(yù)見的操作方法不當(dāng)中,或者是在特殊情況的操作中,如充電器發(fā)生故障,電池使用工具發(fā)生故障.該程序還介紹了一些正常使用中可以避免的不當(dāng)行為的情況.安全評(píng)估被分為以下三類,每一類都有詳細(xì)的步驟:

(1)電性能測(cè)試

(2)機(jī)械性能測(cè)試

(3)環(huán)境性能測(cè)試

測(cè)試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)危害人類身體的危險(xiǎn)情況不會(huì)發(fā)生來(lái)決定.在這些步驟中,每項(xiàng)測(cè)試選擇5 個(gè)電池作樣品,這是考慮到這個(gè)數(shù)字足夠來(lái)判斷電池安全程度.

4.評(píng)估測(cè)試項(xiàng)目

4.1(1)電性測(cè)試

測(cè)試項(xiàng)目 充電狀態(tài) 電池條件 溫度 評(píng)估測(cè)試方法 標(biāo)準(zhǔn)

1.外部短路 完全充電 剛生產(chǎn)完的電池 室溫60℃ 通過電阻小于50mΩ 的電線在兩極短路6 小時(shí)以上 沒有爆炸,沒有著火的現(xiàn)象

2.強(qiáng)行放電 完全充電 剛生產(chǎn)完的電池 正常室溫 按廠家推薦的電流強(qiáng)行深度放電計(jì)算容量的250%.*如果在測(cè)試過程中達(dá)到安全或保護(hù)功能,可以終止測(cè)試 沒有爆炸,沒有著火的現(xiàn)象

3.連續(xù)充電 完全放電 剛生產(chǎn)完的電池 正常室溫 按廠家推薦的方法充電,并在指定的電壓持續(xù)28 天 沒有爆炸,沒有著火,沒有裂開的現(xiàn)象的現(xiàn)象

4.過量充電 完全放電 剛生產(chǎn)完的電池 正常室溫 按廠家推薦的電流充到計(jì)算容量的250%.*如果在測(cè)試過程中達(dá)到安全或保護(hù)功能,可以終止測(cè)試 沒有爆炸,沒有著火的現(xiàn)象

5.大電流充電 完全放電 剛生產(chǎn)完的電池 正常室溫 按廠家推薦的充電電流的3 倍電流給電池充電至計(jì)算容量****以上 沒有爆炸,沒有著火的現(xiàn)象

4.1(2)Ⅰ機(jī)械性能測(cè)試

測(cè)試項(xiàng)目 充電狀態(tài) 電池條件 溫度 評(píng)估測(cè)試方法 標(biāo)準(zhǔn)

1.振動(dòng) 完全充電或完全放電 剛生產(chǎn)完的電池 正常室溫 將電池在XYZ 三個(gè)方向振動(dòng)90 至100 分鐘,振幅為0.8mm,頻率為10HZ,頻率的變化率為1HZ/min.測(cè)試后,完全放電電池將被充電到由廠家推薦的完全容量. 沒有爆炸,沒有著火,沒有變形的現(xiàn)象

2.加速度 完全充電或完全放電 剛生產(chǎn)完的電池 正常室溫 以時(shí)間為單位加速在初始3 毫秒里,平均加速度為75g(g 為重力加速度單位),到達(dá)頂峰時(shí)為125-175g.在每一個(gè)XYZ 互相垂直的方向振動(dòng).測(cè)試后,完全放電電池將被充電到廠家推薦的容量. 沒有爆炸,沒有著火,沒有變形的現(xiàn)象

3.掉落 完全充電或完全放電 剛生產(chǎn)完的電池 正常室溫 從1.9m 高的地方自由掉落10 次到水泥地面上.測(cè)試后,完全放電電池將被充電到廠家推薦的容量. 沒有爆炸,沒有著火的現(xiàn)象

4.1(2)Ⅱ測(cè)試項(xiàng)目 充電狀態(tài) 電池條件 溫度 評(píng)估測(cè)試方法 標(biāo)準(zhǔn)

4.釘子穿過電池 完全充電 剛生產(chǎn)完的電池 正常室溫 用直徑2.5 至5mm 的釘子穿過電池的縱心軸*將釘子放入電池內(nèi)6h. 沒有爆炸,沒有著火的現(xiàn)象

5.擠壓 完全充電 剛生產(chǎn)完的電池 正常室溫 將電池放在兩塊扁鐵板間以使電池的縱軸心與扁鐵板平行,再給電池施加13kN 的壓力 沒有爆炸,沒有著火的現(xiàn)象

6.撞擊 完全充電 剛生產(chǎn)完的電池 正常室溫 將一個(gè)圓柱形木棒(直徑為7.9mm)越過電池頂部,與電池縱心軸垂直.9.1kg相當(dāng)重量從61cm高度掉落下來(lái). 沒有爆炸,沒有著火的現(xiàn)象

7.10m 掉落 完全充電 剛生產(chǎn)完的電池 正常室溫 從10m 高的地方任意將電池掉落到水泥地面上. 沒有爆炸,沒有著火的現(xiàn)象

4.1(3)Ⅰ環(huán)境性能測(cè)試

測(cè)試項(xiàng)目 充電狀態(tài) 電池條件 溫度 評(píng)估測(cè)試方法 標(biāo)準(zhǔn)

1.高溫儲(chǔ)存 完全充電 剛生產(chǎn)完的電池 (a)在溫度100℃的烤箱中儲(chǔ)存5 小時(shí)后將電池放在溫度為20℃的地方放置24h(b)在60℃的烤箱中儲(chǔ)存30 天后將電池放置在溫度20℃的地方24 小時(shí) 沒有爆炸,沒有著火的現(xiàn)象

2.熱量沖突 完全充電 剛生產(chǎn)完的電池 在2 小時(shí)內(nèi)經(jīng)過10 個(gè)連續(xù)循環(huán)分別在-20℃和40℃將電池從-20℃移到60℃的地方,并且替換時(shí)間在5 分鐘之內(nèi) 沒有爆炸,沒有著火,沒有損壞,沒有變形的現(xiàn)象

3.低壓 完全充電 剛生產(chǎn)完的電池 室溫 將電池放置在**壓力等于或小于11.6kpa,時(shí)間為6 小時(shí) 沒有爆炸,沒有著火的現(xiàn)象

4.1(3)Ⅱ環(huán)境性能測(cè)試(不正當(dāng)行為)測(cè)試項(xiàng)目 充電狀態(tài) 電池條件 溫度 評(píng)估測(cè)試方法 標(biāo)準(zhǔn)

4.熱量升溫 完全充電 剛生產(chǎn)完的電池 將電池放入烤箱以5±2℃/分鐘的速率加熱直到130℃.再將電池放置烤箱60 分鐘左右. 沒有爆炸,沒有著火的現(xiàn)象

5.掉落至水中 完全充電 剛生產(chǎn)完的電池 室溫 將電池浸入水中(室溫)24 小時(shí)沒有爆炸,沒有著火的現(xiàn)象

定義

完全充電:為達(dá)到廠家指定的計(jì)算容量,在廠家推薦的充電條件(包括電流,電壓,溫度,時(shí)間等)下,對(duì)電池充電.而且,電池的時(shí)間要求是在充電后的一個(gè)星期內(nèi).

完全放電:在由廠家推薦的放電條件下(包括電流,溫度等),按指定的放電電壓對(duì)對(duì)電池放電.而且電池的時(shí)間要求是在放電后的一個(gè)星期內(nèi).

剛生產(chǎn)完的電池:電池的要求是在生產(chǎn)后不到一個(gè)月,并且是接受少于XX 充放循環(huán).

電池周期:按廠家推薦條件對(duì)電池連續(xù)充電,放電,并且電池的放電容量已經(jīng)在廠家指定計(jì)算容量下降了40%至60%.

室內(nèi)溫度:在測(cè)試中,室溫是指20±5℃,這是平常房間里的溫度,這個(gè)設(shè)定值是要基于要在一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試環(huán)境中.

爆炸:爆炸是指電池內(nèi)部?jī)?nèi)質(zhì)散射或是電池外殼部分被裂開而引起爆炸或損壞.

起火:起火是因電池內(nèi)部自燃或灼燒引起的著火.

安全閥操作:安全閥操作的意思就是指在電池正常使用過程中排氣(將電池內(nèi)壓釋放到外界).

變形:變形是指電池因外壓或內(nèi)壓引起形狀明顯,可視的變形.

4.2 測(cè)試數(shù)量

在測(cè)試中的標(biāo)準(zhǔn)是評(píng)估安全的水準(zhǔn),以下的數(shù)量是按目的所要求的.每項(xiàng)測(cè)試項(xiàng)目要求數(shù)量:n=5

4.3 解釋

4.3.1 電性能測(cè)試

1.外部短路

當(dāng)正極,負(fù)極兩端被短路(用一根鐵絲或金屬作電阻)時(shí),可以預(yù)見的危險(xiǎn)有電池將突然發(fā)熱,因有很大的電流流動(dòng),電池溫度升高.如果溫度超過電池的承受能力,電池會(huì)爆炸或起火.

這項(xiàng)測(cè)試是假設(shè)電池在處理或使用時(shí)方法不正確引起電池外部短路,這所以要將測(cè)試溫度設(shè)置在60℃,是因?yàn)橐_保在調(diào)溫下電池因外部短路而發(fā)熱將仍處于安全狀態(tài).這個(gè)溫度的要求是按照UL｀S 外部短路而定(UL1642).最大的電阻(50mΩ)是由日本IEC 國(guó)家委員會(huì)(TC35/WG8)而指定的估計(jì)值.

2.強(qiáng)行放電(可逆過程)

電池由于外部強(qiáng)行放電或因錯(cuò)誤地強(qiáng)行逆向充電,而引起的可以預(yù)見的危險(xiǎn)有:電池發(fā)生正常的化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致內(nèi)壓,溫度升高.如果操作過度,電池將爆炸或起火.

這個(gè)測(cè)試是假設(shè)這樣一種情況:電池因被錯(cuò)誤地反向聯(lián)接到充電器上,或者是在一個(gè)組合電池里有一個(gè)電池低容,那么在對(duì)該組合電池放電時(shí),那支低容電池將會(huì)強(qiáng)行放電(當(dāng)新舊電池或不同容量的電池放在一個(gè)電池盒中,也將出現(xiàn)這種情況)廠家依照UL｀S 的強(qiáng)行放電測(cè)試條件而推薦的電流,將電池放電計(jì)算容量的250%以上.

當(dāng)電池具有這些安全,保護(hù)性能,電流沒有因這些功能發(fā)生變動(dòng),可以在電池上注明標(biāo)識(shí),并且可以不要繼續(xù)測(cè)試.

3.連續(xù)充電

當(dāng)超過電池所能承受的限制連續(xù)給電池充電時(shí),可以預(yù)見的危險(xiǎn)有電池充電過量,內(nèi)壓升高導(dǎo)致電解質(zhì)分解.

如果內(nèi)壓超過一定限度,電池會(huì)爆炸.

這項(xiàng)測(cè)試假設(shè)電池被連接到充電器正常充電操作.

連續(xù)充電的時(shí)間定為一個(gè)月是因?yàn)殡姵卦谕耆渫觌娭?正常動(dòng)作的充電器會(huì)按設(shè)計(jì)值提供較少的電流,所以將時(shí)間定為一個(gè)月,從而讓電池充分的連續(xù)充電.

4.充電過量

當(dāng)電壓升高超過電池所能承受的限制,而引起充電過量,可預(yù)見的危險(xiǎn)有:電池內(nèi)壓在充電時(shí)升高導(dǎo)致正?；瘜W(xué)反應(yīng)或溫度升高發(fā)熱,結(jié)果,電池將爆炸或起火.

這項(xiàng)測(cè)試假設(shè)這樣一種情況:充電器沒有正常發(fā)揮作用,特別是它的電壓控制電路失去控制.

因?yàn)槌潆娖麟娏骺刂票患俣檎２僮?因而由廠家推薦值作電流,而且將充電容量定為計(jì)算容量的250%是考慮在超過電池承受限制,過量充電時(shí)確保安全.

如果電池具有這些安全,保護(hù)功能,電流不發(fā)生變動(dòng),給其注明標(biāo)識(shí),測(cè)試也不需再進(jìn)行.

5.大電流充電

當(dāng)電池因很大電流充電時(shí),可以預(yù)見的危險(xiǎn)有因焦耳熱使溫度升高,如果溫度升高超過權(quán)限,電池會(huì)爆炸,起火.

這項(xiàng)測(cè)試假設(shè)這樣一種情況:充電器沒有正常動(dòng)作,特別是充電器控制設(shè)置失去控制,在這項(xiàng)測(cè)試中,將電流設(shè)為廠家所提供電流的三倍值(這個(gè)值已經(jīng)達(dá)到限制),因?yàn)榧词闺娏骺刂破魇б驗(yàn)槌潆娖鞯膬?nèi)阻和輸出容量的原因,也不會(huì)讓再大的電流通過.

并且,充電容量被指定為****,是因?yàn)檫@項(xiàng)測(cè)試要檢查很大電流流動(dòng)的影響.

如果電池具有這些安全,保護(hù)功能,電流不發(fā)生變動(dòng),給其注明標(biāo)識(shí),測(cè)試也不需再進(jìn)行.

4.3.2Ⅰ機(jī)械性能測(cè)試

1.振動(dòng)

當(dāng)電池發(fā)生振動(dòng),可預(yù)見的危險(xiǎn)是:電池內(nèi)部的連接片從連接點(diǎn)斷落或者活性物質(zhì)脫落,導(dǎo)致電極直接接觸(內(nèi)短路),這種反應(yīng)會(huì)加速進(jìn)行,并且超過一定限度,電池由于內(nèi)壓升高將爆炸或起火.

這項(xiàng)測(cè)試假設(shè)這樣一種情況:電池在運(yùn)輸中或用戶使用時(shí)方法不當(dāng)而受到振動(dòng).這個(gè)測(cè)試方法參照了其它標(biāo)準(zhǔn),比如:UL,DOT,LATA 等.

這項(xiàng)測(cè)試要定于完全放電狀態(tài)是因?yàn)殡姌O處于完全放電狀態(tài)更容易移動(dòng),因而電池更容易在振動(dòng)時(shí)受到損壞,而且,在測(cè)試完之后再將電池充電,這種損壞更明顯.

2.加速度

當(dāng)電池受撞擊時(shí),可以預(yù)見的危險(xiǎn)與振動(dòng)示例中的相同.

這項(xiàng)測(cè)試是要假設(shè)在運(yùn)輸過程中,電池受顛簸的危險(xiǎn)或因用戶失誤將電池不斷摔落.

這項(xiàng)測(cè)試是參照DOT,LATA 標(biāo)準(zhǔn)

如果電池具有這些安全,保護(hù)功能,電流不發(fā)生變動(dòng),給其注明標(biāo)識(shí),測(cè)試也不需再進(jìn)行.

3.摔落

當(dāng)電池摔落可以預(yù)見的危險(xiǎn)與電池振動(dòng)示例中的相同.這項(xiàng)測(cè)試是假設(shè)因?yàn)槟硞€(gè)人的失誤造成電池摔落,電池摔落的高度被指為1.9m,這個(gè)高正好是一般人把手抬起來(lái)的高度.

如果電池具有這些安全,保護(hù)功能,電流不發(fā)生變動(dòng),給其注明標(biāo)識(shí),測(cè)試也不需再進(jìn)行.

4.3.2i 不正行為測(cè)試

4.釘子穿透電池因失誤把一根釘子錯(cuò)誤的穿過電池,將會(huì)把正,負(fù)極直接相連,導(dǎo)致外部短路,電池會(huì)因突然反應(yīng)產(chǎn)生發(fā)熱而爆炸,起火.

這項(xiàng)測(cè)試假設(shè)一種情況:把電池放在箱內(nèi),誤使釘子穿透電池,或假設(shè)內(nèi)部短路情況來(lái)達(dá)到安全評(píng)估.

在本手冊(cè)中,這些測(cè)試都是假設(shè)不正行為或內(nèi)短路.

5.擠壓

當(dāng)電池受強(qiáng)大壓力而擠壓時(shí)可預(yù)見的危險(xiǎn)有正,負(fù)極的空間變窄,并且,正,負(fù)極可能直接接觸而引起的內(nèi)短路.電池可能爆炸或起火.

這項(xiàng)測(cè)試假設(shè)電池受強(qiáng)壓而被擠壓,比如汽車.在這項(xiàng)測(cè)試中,將擠壓條件定為13kN 的汽車載重量是可行的,并且是參照UL1642.

6.沖擊

由于重力,電池受到突然的沖擊或掉落相當(dāng)重量物質(zhì)到電池時(shí),可以預(yù)見的危險(xiǎn)有:發(fā)生電池內(nèi)部短路.

這項(xiàng)測(cè)試假設(shè)一個(gè)相當(dāng)重量的物體掉落在電池上,物體將給出強(qiáng)大的沖擊在電池的某個(gè)部位.這項(xiàng)測(cè)試參照UL.

7.10M 掉落

當(dāng)電池從很高的地方掉落下來(lái),可以預(yù)見的危險(xiǎn)有:由于掉落的沖擊,電池被擠壓,結(jié)電池會(huì)爆炸或起火.

在這項(xiàng)測(cè)試假設(shè)電池從很高的地方比如樓頂或房間窗戶.

在這項(xiàng)測(cè)試中,電池掉落的高度定為10M,這個(gè)高度比一般房子的窗戶掉落下來(lái)更嚴(yán)重.

4.3.3Ⅰ環(huán)境性能測(cè)試

1.高溫貯存

當(dāng)電池被錯(cuò)誤的放入高溫地方,可以預(yù)見的危險(xiǎn)有:電池因溫度變熱,正負(fù)極間的高分子隔離物融合,不能在兩極間分開,結(jié)果,因兩極接觸而內(nèi)短路.那么,電池內(nèi)部突然發(fā)生反應(yīng),如果過熱,電池會(huì)爆炸或起火.

這項(xiàng)測(cè)試假設(shè)這樣一種情況:當(dāng)電池因外界高溫受熱或是電池在被置在汽車儀表,直接在夏日受陽(yáng)光照射而受熱,或者是溫度控制設(shè)置發(fā)生故障,而使室內(nèi)溫度升高.

2.熱量升高

當(dāng)電池經(jīng)過一段很厲害且迅速的溫度變化,可以預(yù)見的危險(xiǎn)有:因溫度變化而沖擊高分子組成,因膨脹系數(shù)的不同使高分子和金屬組成成分變形或損壞.

這項(xiàng)測(cè)試假設(shè)這樣一種情況:電池在很短的時(shí)間里經(jīng)過迅速的溫度變化,例如電池突然從外界搬到室內(nèi),特別是接近室內(nèi)火源旁,或是在嚴(yán)冬從室內(nèi)搬到室外.

根據(jù)MIL 和JIS 標(biāo)準(zhǔn),在這項(xiàng)測(cè)試中,交換時(shí)間要求少于15 分鐘.

3.低壓

當(dāng)電池在很高海拔的地方,處于很低的環(huán)境壓力中,比如空運(yùn),可以預(yù)見的危險(xiǎn)有:因密封部被破壞電池內(nèi)部物質(zhì)發(fā)生爆破或摩擦,以致引起爆炸或起火.

這項(xiàng)測(cè)試假設(shè)了電池在飛機(jī)上運(yùn)輸,沒有被加壓,處于50,000feet 相當(dāng)?shù)母叨鹊牡蛪涵h(huán)境中.

這項(xiàng)測(cè)試參照了以下標(biāo)準(zhǔn):DOT,ICAO 和LATA.

4.3.3Ⅱ不正當(dāng)方法的測(cè)試

當(dāng)電池被過度加熱,可以預(yù)見的危險(xiǎn)有:正,負(fù)極間的高分子隔離物融合,兩極不能被分開,互相接觸,結(jié)果發(fā)生反應(yīng),電池會(huì)爆炸或起火.

在這項(xiàng)測(cè)試中,假設(shè)電池被放置接近熱源的地方,或者,因不正行為,如把電池放在車的儀表板,直接受陽(yáng)光照射或測(cè)試控制設(shè)置發(fā)生故障因而室內(nèi)溫度升高.

這項(xiàng)測(cè)試中將溫度設(shè)為130 度是考慮到在反常情況下,如溫度控制設(shè)置發(fā)生故障時(shí)最大溫度低于120度.

5.掉落水中

當(dāng)電池浸沒水中,可以預(yù)見的危險(xiǎn)有:高壓電池的正極接線端發(fā)生溶解反應(yīng),然后,電池密封性被破壞,水也進(jìn)入電池和電池內(nèi)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng),電池因產(chǎn)生的熱量會(huì)爆炸或起火.

這項(xiàng)測(cè)試就是假設(shè)因?yàn)槭д`電池掉入水中.