用于鋰離子電池安全等級評價的測試方法與流程

本發明屬于二次電池領域，具體涉及一種二次電池安全性的測試方法。

背景技術：

鋰離子動力電池作為新能源汽車的核心部件，其安全性問題一直備受關注，然后隨著新能源汽車產銷量的快速增長，安全事故也有明顯增多。據不完全統計，從2011年截至到2015年底，國內外累積發生電動汽車安全事故39例。由此可以推斷通過了安全法規標準測試后的鋰離子電池產品依然存在發生安全問題的風險。并且鋰離子動力電池相比于手機、筆記本電腦用鋰電池的能量密度更高，因此安全風險也更高。

鋰離子電池的危險性主要來源于以下幾個方面：

(1)鋰離子電池本身存在的風險：

a.溫度升高造成有機溶劑和電極表面的反應，當SEI被破壞后，反應更加劇烈；

b.電池內阻導致不可逆發熱，而正極還原反應及負極產熱造成可逆發熱。在對電池內短路的研究表明，接觸短路電阻值與電池內阻接近，輸出功率最高，短路瞬間產生的熱量最多，危險性最大。

(2)鋰離子電池生產制造帶來的風險：

現階段我國部分電池企業在生產規模和技術裝備、生產制造水平、質量管理體系等方面同國外先進水平存在一定差距，產品質量及產品一致性和安全性還尚不能完全滿足新能源客車的使用要求。

現行標準體系不能確保所有安全風險都能有效檢出。現行標準基本上都是符合性檢測標準，即標準規定短路、過充電、過放電、振動、沖擊、擠壓、碰撞(跌落)、針刺、熱箱、低氣壓、溫度循環等電氣、機械和環境方面的試驗項目，用以模擬電池在正常使用以及可預見的誤用時的應用情況，確保產品在這些情況下的安全性。測試項目以不起火、不爆炸等作為通過與否的判定標準，然而實際測試過程中，樣品可能會出現鼓脹、自加熱、冒煙、漏液、冒火星、變形等情況，上述現象最終是否會引起熱失控并發生起火爆炸無法判定，依然存在安全風險。此外，針對電池生產企業不同階段的電池產品，需要制定不同的測試項目來保證其產品開發流程的安全性驗證。

技術實現要素：

針對現有技術的不足，本發明建立了鋰離子電池安全等級評價機制，通過三個安全等級的測試方法來評價鋰離子動力電池企業不同階段的產品進行安全性，從而補充現有對于鋰離子動力電池產品安全性的判定方法，并提出電池模塊安全設計的建議。

本發明的目的在于建立一種鋰離子電池安全等級評價的測試方法。

實現本發明上述目的的具體技術方案為：

一種用于鋰離子電池安全等級評價的測試方法，包括以下六類測試方法中的三種以上：短路、過充電、過放電、加熱、擠壓、針刺，其中，進行短路測試的短路電阻為0.5mΩ～5mΩ，進行過充電測試的溫度為25～65℃，電流為1C～10C；進行過放電測試的溫度為-40～65℃，電流為1C～10C；加熱測試的溫度為25℃～150℃，加熱測試的時間30～60min；進行擠壓測試的擠壓程度為10～50％，溫度為25～65℃；進行針刺測試的速度為1～150mm/s，保持時間為30min，溫度為25～65℃。

進一步地，所述的測試方法將鋰離子電池安全等級劃分為低、中、高三級，低安全等級的為未知其安全性能的產品，中安全等級的為采用了安全技術的產品，高安全等級的為已經通過低安全等級和中安全等級測試的產品；

所述低安全等級的測試包括過充電、加熱和針刺，

所述中安全等級的測試包括短路、過充電、過放電和加熱，

所述高安全等級的測試包括短路、過充電、過放電、擠壓和針刺。

本發明將安全等級設為三級，處于研發階段的產品只測試針刺等三種，減少了檢測工作量，測試內容也更加合理。

其中，所述低安全等級的測試中，過充電測試的溫度為25℃，加熱測試的溫度為130℃、時間60min，針刺測試的溫度為25℃，針刺速度為1mm/s、5mm/s、10mm/s、25mm/s、40mm/s、80mm/s、150mm/s。采用市購的溫控型針刺擠壓試驗機可以實現不同速度測試。

其中，所述中安全等級的測試中，進行短路測試的短路電阻為0.5mΩ～5mΩ。可使用短路試驗機進行調節。

過充電測試和過放電測試的電流為3C、時間為30min和90min；加熱測試的溫度為150℃。

其中，所述高安全等級的測試中，進行短路測試的短路電阻為0.5mΩ～5mΩ。

過充電和過放電測試的電流為3C、5C和10C，

短路、過充電、過放電、擠壓和針刺測試均在45℃和65℃兩種溫度條件下進行。

現有的測試方法中，只進行25℃下的測試，而汽車動力電池實際環境溫度可達60℃或者零下，本測試方法更符合動力電池的實際。

其中，待測試的鋰離子單體電池放在可控制溫度的防爆型環境艙中，靜置30～60min后開始測試。

本發明提出的測試方法，產品的安全性驗證依據上述測試流程對于產品進行測試，隨著產品的安全等級的提高，測試項目增加且測試條件更為嚴苛，從而對產品的安全性進行更為完善的評價和驗證。通過了上述測試的產品可劃分為初、中、高三個安全等級，根據測試后樣品狀況劃分為7個危險等級：1)無變化、2)變形、3)表面溫度超過150℃、4)冒白煙(電解液噴出)、5)冒黑煙、6)起火、7)爆炸。

本發明根據測試條件來劃分安全等級，即共分為三個安全等級，對于低、中等級，無變化、變形算符合安全要求；對于高等級，無變化、變形、表面溫度超過150℃、冒白煙判定為符合高安全等級標準。每個安全等級分為上述的7個危險等級，危險等級越低則證明安全性越好。

本發明所提供的測試方法具備以下優點：提供了針對不同階段鋰離子電池產品安全性驗證的方法；提出了更為嚴苛的安全測試方法，對于鋰離子電池安全風險的預測更具有針對性；補充現有對于鋰離子動力電池產品安全性的判定方法，提出電池模塊安全設計的建議。

本發明的測試方法可應用于：

(1)更為準確地劃分鋰離子動力電池的安全等級，可以更為有效地控制電池產品的安全風險，并且為相關企業對于電池產品的選型提供參考依據；

(2)建立鋰離子動力電池在不同產品階段的安全驗證方法。

附圖說明

圖1為進行短路、過充電、加熱試驗的設備組成示意圖；

圖中，1為防爆型環境箱內，2為短路設備，3為充放電設備。

圖2為通過測試平臺實施例1測試得到的鋰離子電池過充電曲線；

圖3為進行針刺試驗前后的視頻截圖。

圖4不同安全級別產品測試流程圖。

具體實施方式

以下實施例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。

實施例中，如無特殊說明，所用手段均為本領域常規的手段。

本發明將電池分為三個安全等級，低、中、高三級的測試流程見圖1。以下通過實施例來具體說明。

實施例1：

未知其安全性能的新產品，通過以下測試判定安全等級：

短路試驗：

1)25℃下，在環境艙內放入一個單體電池，靜置30min，保證單體電池整體溫度與環境艙內溫度一致；

2)向步驟1)中的單體電池進行短路激發，短路電阻為<0.5mΩ，短路時間>10min；

3)記錄短路電池的電壓、短路電流和溫度變化，測試實驗前后單體電池的狀態和重量。

過充電試驗：

1)25℃下，在環境艙內放入一個單體電池，靜置30min，保證單體電池整體溫度與環境艙內溫度一致；

2)對步驟1)中的單體電池進行過充電激發，過充電的電流大小為1C，過充電時間分別為90min；

3)記錄過充電電池的電壓和溫度變化(參見圖2)，測試實驗前后單體電池的狀態和重量。

加熱試驗：

1)25℃下，在環境艙內放入一個單體電池，靜置30min，保證單體電池整體溫度與環境艙內溫度一致；

2)對步驟1)中的單體電池進行加熱，加熱溫度為130℃，加熱時間為60min；

3)記錄加熱電池的電壓和溫度變化，測試實驗前后單體電池的狀態和重量。

采用的設備如圖1，待測試的單體電池放置在防爆型環境箱1內，測試短路的夾具連接有短路設備2，測試充放電的電極連接充放電設備3。

針刺試驗(采用市購溫控型針刺擠壓試驗機)：

1)25℃下，在環境艙內放入一個單體電池，靜置30min，保證單體電池整體溫度與環境艙內溫度一致；

2)向步驟1)中的單體電池進行針刺，針刺速度為1mm/s；針刺保持時間為30min；

3)記錄針刺電池的電壓和溫度變化，測試實驗前后單體電池的狀態和重量。

針刺測試：

1)25℃下，在環境艙內放入一個單體電池，靜置30min，保證單體電池整體溫度與環境艙內溫度一致；

2)向步驟1)中的單體電池進行針刺，針刺速度為25mm/s；針刺保持時間為30min；

3)記錄針刺電池的電壓和溫度變化，測試實驗前后單體電池的狀態和重量。

電池在測試中其外觀出現：1)無變化、2)變形，判定為符合低安全等級標準。出現以下：3)表面溫度超過150℃、4)冒白煙(電解液噴出)、5)冒黑煙、6)起火(參見圖3)、7)爆炸；判定為不符合低安全等級標準。

實施例2

采用安全技術的產品，通過以下測試判定安全等級：

加熱試驗：

1)25℃下，在環境艙內放入一個單體電池，靜置30min，保證單體電池整體溫度與環境艙內溫度一致；

2)對步驟1)中的單體電池進行加熱，加熱溫度為150℃，加熱時間為60min；

3)記錄加熱電池的電壓和溫度變化，測試實驗前后單體電池的狀態和重量。

短路試驗：

1)25℃下，在環境艙內放入一個單體電池，靜置30min，保證單體電池整體溫度與環境艙內溫度一致；

2)對步驟1)中的單體電池進行短路激發，短路電阻為<5mΩ，短路時間>10min；

3)記錄短路電池的電壓、短路電流和溫度變化，測試實驗前后單體電池的狀態和重量。

過充電試驗：

1)25℃下，在環境艙內放入一個單體電池，靜置30min，保證單體電池整體溫度與環境艙內溫度一致；

2)對步驟1)中的單體電池進行過充電，過充電的電流大小為3C，過充電時間分別為30min；

3)記錄過充電電池的電壓和溫度變化，測試實驗前后單體電池的狀態和重量。

過放電試驗：

1)25℃下，在環境艙內放入一個單體電池，靜置30min，保證單體電池整體溫度與環境艙內溫度一致；

2)對步驟1)中的單體電池進行過放電，過放電的電流大小為3C，過放電電時間分別為30min；

3)記錄過放電電池的電壓和溫度變化，測試實驗前后單體電池的狀態和重量。

電池在測試中的外觀出現：1)無變化、2)變形、判定為符合中安全等級標準。出現以下：3)表面溫度超過150℃、4)冒白煙(電解液噴出)、5)冒黑煙、6)起火、7)爆炸；判定為不符合中安全等級標準。

采用的設備同實施例1。

實施例3

通過了低、中安全測試的產品，通過以下測試判定是否符合高安全等級。試驗樣品為同一批產品。

1)45℃下，在環境艙內放入一個單體電池，靜置60min，保證單體電池整體溫度與環境艙內溫度一致；

2)對步驟1)中的單體電池進行短路，短路電阻為<5mΩ，短路時間>10min；

3)記錄短路電池的電壓、短路電流和溫度變化，測試實驗前后單體電池的狀態和重量。

65℃短路試驗：

1)65℃下，在環境艙內放入通過步驟3)的單體電池，靜置60min，保證單體電池整體溫度與環境艙內溫度一致；

2)對步驟4)中的單體電池進行短路，短路電阻為3mΩ，短路時間>10min；

3)記錄短路電池的電壓、短路電流和溫度變化，測試實驗前后單體電池的狀態和重量。

45℃針刺試驗：

1)45℃下，在環境艙內放入一個單體電池，靜置30min，保證單體電池整體溫度與環境艙內溫度一致；

2)向步驟1)中的單體電池進行針刺，針刺速度為25mm/s；針刺保持時間為30min；

3)記錄針刺電池的電壓和溫度變化，測試實驗前后單體電池的狀態和重量。

65℃針刺試驗：

1)65℃下，在環境艙內放入一個通過45℃針刺測試的電池，靜置30min，保證單體電池整體溫度與環境艙內溫度一致；

2)向步驟1)中的單體電池進行針刺，針刺速度為25mm/s；針刺保持時間為30min；

3)記錄針刺電池的電壓和溫度變化，測試實驗前后單體電池的狀態和重量

45℃擠壓測試：(采用溫控型針刺擠壓試驗機)

1)45℃下，在環境艙內放入一個單體電池，靜置30min，保證單體電池整體溫度與環境艙內溫度一致；

2)對步驟1)中的單體電池進行擠壓，擠壓速度為5mm/s；擠壓程度為15％；擠壓保持時間為30min；

3)記錄擠壓電池的電壓和溫度變化，測試實驗前后單體電池的狀態和重量。

65℃擠壓測試：

1)65℃下，在環境艙內放入通過45℃擠壓的一個單體電池，靜置30min，保證單體電池整體溫度與環境艙內溫度一致；

2)對步驟1)中的單體電池進行擠壓，擠壓速度為5mm/s；擠壓程度為50％；擠壓保持時間為30min；

3)記錄擠壓電池的電壓和溫度變化，測試實驗前后單體電池的狀態和重量。

過充放電試驗：

1)45℃下，在環境艙內放入一個單體電池，靜置60min，保證單體電池整體溫度與環境艙內溫度一致；

2)對步驟1)中的單體電池進行過充電，過充電的電流大小為3C，過充電時間分別為30min；

3)記錄過充電電池的電壓和溫度變化，測試實驗前后單體電池的狀態和重量。

4)對步驟1)中的單體電池進行過放電，過放電的電流大小為3C，過放電電時間分別為30min；

5)記錄過放電電池的電壓和溫度變化，測試實驗前后單體電池的狀態和重量。

65℃過充電試驗：

1)65℃下，在環境艙內放入一個單體電池，靜置30min，保證單體電池整體溫度與環境艙內溫度一致；

2)對步驟1)中的單體電池進行過充電，過充電的電流大小為3C，過充電時間分別為30min；

3)記錄過充電電池的電壓和溫度變化，測試實驗前后單體電池的狀態和重量。

4)對步驟1)中的單體電池進行過放電，過放電的電流大小為3C，過放電電時間分別為30min；

5)記錄過放電電池的電壓和溫度變化，測試實驗前后單體電池的狀態和重量。

電池在測試中的外觀出現：1)無變化、2)變形、3)表面溫度超過150℃、4)冒白煙(電解液噴出)判定為符合高安全等級標準。出現以下：5)冒黑煙、6)起火、7)爆炸；判定為不符合高安全等級標準。

以上的實施例僅僅是對本發明的優選實施方式進行描述，并非對本發明的范圍進行限定，在不脫離本發明設計精神的前提下，本領域普通工程技術人員對本發明的技術方案作出的各種變型和改進，均應落入本發明的權利要求書確定的保護范圍內。