鋰離子電池的過充電測試

作者簡介：林健，福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院電子所電池實驗室，工程師。E-mail: 49750001@qq.com。

0   引言

當(dāng)前，隨著經(jīng)濟的快速增長和科技的高速進步，便攜式設(shè)備和智能設(shè)備的廣泛應(yīng)用逐步提高了人們的生活質(zhì)量和便捷性。大到電動車、筆記本電腦、iPad，小到手機、手環(huán)、學(xué)生手表等，幾乎成為大部分家庭甚至每個人生活和工作不可或缺的裝備。由于具備體積小、容量大、循環(huán)使用壽命長等這些優(yōu)點，使得鋰離子電池成為這些電子產(chǎn)品的動力首選。市場上電子產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，有些廠家在利益的驅(qū)逐下鋌而走險，為節(jié)約成本，使用了劣質(zhì)的鋰離子電池。這些鋰離子電池本身不帶保護電路，或者即使有保護電路，也無法起到保護功能。消費者在不當(dāng)使用（如長時間充電）或者出現(xiàn)故障（如某一保護器件失效）的情況下給設(shè)備充電，極易對鋰離子電池產(chǎn)生過充，引起電池的外殼裂紋、破裂或爆裂而導(dǎo)致化學(xué)漏液，化學(xué)漏液可能嚴重影響安全防護，而溫度過高則可能發(fā)生著火、甚至爆炸等危險，進而危及消費者的人身及財產(chǎn)安全。針對鋰離子電池的過充電性能，GB 31241—2014標準規(guī)定所有的便攜式用鋰離子電池都應(yīng)滿足6.3 條款“過充電”的試驗要求。下面，我們就從試驗對象、試驗原理、試驗方法和試驗實例等四個方面來進行闡述。

1   試驗對象

過充電試驗主要針對的是可充電鋰離子電池，對于燃料電池、鎳氫電池、鉛酸蓄電池及不可充電電池如干電池不適用。一般情況下，只有鋰離子電池組內(nèi)才有安全保護電路（見圖1 電池A），其他類型的電池不具備安全保護電路（見圖1 電池B）。鋰離子電池是一種可將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能、并可以循環(huán)充放電的電池。該電池一般含有外殼、端子、正負電極、隔膜、電解液^[1]。鋰離子電池組是一種由任意數(shù)量的鋰離子電池加保護電路板及外部材料封裝組合而成，其保護電路中可能還帶有保險絲、熱敏電阻等保護器件^[1]。鋰離子電池組即傳統(tǒng)定義中的電池。本試驗對象為圖1 中的電池B，即傳統(tǒng)定義中的電芯。鋰離子電池過充電測試應(yīng)當(dāng)使用全新設(shè)備中的電池，或者由制造廠商提供的全新電池。根據(jù)鋰離子電池廠家提供的參數(shù)，將電池用推薦放電電流放電至電池的放電截止電壓后再進行過充電試驗。

圖1 鋰電池A內(nèi)部有保護電路，鋰電池B無保護電路

2   試驗原理

鋰離子電池的過充電測試在模擬電池組中的保護電路因某個元器件故障導(dǎo)致保護功能失效，或者是其保護電路本身就不帶過充保護功能的情況下非正常充電。該試驗是為了測試鋰離子電池（即電芯，沒有保護電路）在承受過充電的過充應(yīng)力時的電池安全性能。過充電的過充應(yīng)力都施加在電芯上，實際上等于直接對電芯的耐過充電能力進行考核。為了使試驗時間最短，測試過程中可借用溫度記錄儀或者電池充放電設(shè)備自帶的溫度監(jiān)控探頭來監(jiān)測電池表面溫度變化。若電池持續(xù)充電的時間超過7 h 及廠家提供的充電時間中較大值^[1]，或者被測電池表面的溫度下降到比峰值低20%^[1]，即可終止試驗。鋰離子電池受到過充電的過充應(yīng)力時，其自身應(yīng)能夠避免因過充應(yīng)力產(chǎn)生起火、爆炸等危險。這種情況，對電芯的要求是比較嚴酷的，所以在研發(fā)人員在選擇電芯的時候，應(yīng)有這方面的考慮。

3   試驗方法

1）根據(jù)鋰離子電池廠家提供的參數(shù)（廠家需提供推薦放電電流和放電截止電壓這兩個參數(shù)），將鋰離子電池用推薦放電電流放電至電池的放電截止電壓（此時可以認為電池已放完電）。

2）然后取3 倍率額定容量（額定容量可以根據(jù)電池樣品上銘牌標稱確定，也可由廠家提供的規(guī)格書確定）大小的電流或者用3 倍率推薦充電電流（該推薦充電電流由廠家提供）中的較大值，進行恒流充電至其過壓充電電壓（該電壓由其正極材料決定，見表1，對于其他正極材料的鋰離子電池過充電電壓至少應(yīng)為4.6 V），然后用該試驗電壓恒壓充電^[1]。

3）測試過程中將溫升記錄儀或者電池充放電設(shè)備自帶的溫度監(jiān)控探頭用溫升膠黏在被測電池表面的中心位置，用來采集監(jiān)控電池表面的溫度變化。若電池持續(xù)充電的時間超過7 h及廠家提供的充電時間中較大值[1]，或者被測電池表面的溫度下降到比峰值低20%^[1]，試驗即可終止。如監(jiān)測到電池表面的峰值溫度為100 ℃，由于電池的保護，后面溫度降到80 ℃，雖然此時電池持續(xù)充電的時間可能很短，本試驗便可終止。

4）電池應(yīng)不起火、不爆炸^[1]。

4   試驗實例

我們以一個應(yīng)用在智能手機上的鋰離子電池（圖2）作為測試樣品。測試樣品的額定容量為1 800 mA·h，充電限制電壓為4.2 V，推薦充電電流為520 mA，放電截止電壓為2.8 V，電池的正極材料是鈷酸鋰，制造商未規(guī)定充電時間。根據(jù)以上信息，我們應(yīng)用3 倍率額定容量大小的電流（5.4 A）恒流充電至其過壓充電電壓（4.6 V），然后用4.6 V 的電壓恒壓充電并監(jiān)測電池溫度變化（試驗布置見圖3）。

圖2 鋰電池外觀

圖3 鋰電池試驗布置圖

經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，電池的溫度下降到峰值（46.9 ℃）的20%（37.5 ℃）（溫度曲線見圖4）時，此時電池放完電后已持續(xù)充電約40 min（過充電曲線見圖5），停止試驗。觀察電池，發(fā)現(xiàn)電池未起火，未爆炸，按照標準要求，則可以判定該電池能滿足過充電測試要求（試驗后電池見圖6）。

圖4 鋰電池過充電試驗溫升曲線

圖5 鋰電池過充電試驗電壓電流曲線

圖6 鋰電池過充電試驗后外觀

5   結(jié)束語

鋰離子電池的過充電測試可以理解為是對電芯的耐過充電承受能力的考核。實際的電路應(yīng)用中，建議工程師在電路的設(shè)計和電芯的選型中，保護電路和電芯都能夠承受過充電測試，耐受過充電測試的過充應(yīng)力，做到雙保險，最大限度保護消費者的安全。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.GB31241—2014便攜式電子產(chǎn)品用鋰離子電池和電池組安全要求[S].2015.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年9月期）