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(yīng)用已經(jīng)取得了巨大的成功，特別是其廣泛應(yīng)用在了在移動電子產(chǎn)品。但不能忽視的是，自從鋰離子電池大規(guī)模商業(yè)化推廣以來，與其相關(guān)的安全事故就幾乎沒有停止過。鋰離子電池的安全性已經(jīng)成為制約其進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)在不斷的更新中，但其基本安全檢測模式已經(jīng)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(fā)生的誤（濫）用情況。如過充電測試模擬的是保護(hù)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(jù)實(shí)驗室的檢測經(jīng)驗，過充電、 150℃熱沖擊、針刺、擠壓、高溫短路、重物沖擊等是經(jīng)常發(fā)生失效（Fail）的項目。
由于內(nèi)容設(shè)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(guān)程序、標(biāo)準(zhǔn)要求、失效原因以及對應(yīng)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(guān)于符合 IEEE1725 標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證程序為例，其中與熱沖擊有關(guān)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(biāo)準(zhǔn)中熱沖擊項目要求不盡相同，較常見的是熱沖擊到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 熱沖擊條件較常出現(xiàn)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(nèi)部烘箱的熱能、電池內(nèi)部的活性物質(zhì)的內(nèi)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(dá)到處于滿充狀態(tài)的電池中活性物質(zhì)的著火點(diǎn)。那么很顯然電池失效的原因為電池內(nèi)部物質(zhì)電能或者是內(nèi)能的釋放。足夠多的熱量被釋放出來后，將引起電池內(nèi)部劇烈的化學(xué)反應(yīng)，較后將導(dǎo)致被測物而失效（Fail）。

在本測試中，電池本身熱量產(chǎn)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(xué)反應(yīng)的放熱；

3）陰極化學(xué)反應(yīng)的放熱；

4）隔膜在高溫下收縮或融化，導(dǎo)致陰陽極短路而釋放出熱量。

如果陽極材料的熱穩(wěn)定性差，高溫下 SEI 膜分解反應(yīng)強(qiáng)烈，則陽極在達(dá)到 150℃后溫度會繼續(xù)上升，并且熱失控而放出大量熱。
如果陰極材料的熱穩(wěn)定性差，高溫下其和電解液起反應(yīng)（起始溫度約 150℃）所放出的熱量不斷積累后后面使電池內(nèi)部溫度達(dá)到熱失控而大量放熱，此時發(fā)送此現(xiàn)象通常是在達(dá)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(wěn)定性也有所不同。聚丙烯（PP）材料的隔膜熔點(diǎn)在 160℃左右，聚乙烯（PE）材料的隔膜熔點(diǎn)在 130℃左右，多層隔膜的熔點(diǎn)與其組成成分有關(guān)系。當(dāng)整個電池做 150℃熱沖擊測試時，可以通過上面的原理進(jìn)行分析。

03、解決方案建議：
如果出現(xiàn)熱沖擊測試失效，根據(jù)上述描述確定了電池的主要發(fā)熱源后，可以采用熱穩(wěn)定性更高的材料來優(yōu)化或者改變設(shè)計比例方式，使電極在滿充狀態(tài)時處于比較穩(wěn)定的電壓狀態(tài)。
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(fā)生的誤（濫）用情況。如過充電測試模擬的是保護(hù) 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(jù)檢測經(jīng)驗，過充電、 150℃熱沖擊、針刺、擠壓、高溫短路、重物沖擊等是經(jīng)常發(fā)生失效的項目。
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| 發(fā)布時間：2018.06.05 來源：國家信息技術(shù)國檢中心

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