用于锂离子电池安全等级评价的测试方法与流程

本发明属于二次电池领域，具体涉及一种二次电池安全性的测试方法。

背景技术：

锂离子动力电池作为新能源汽车的核心部件，其安全性问题一直备受关注，然后随着新能源汽车产销量的快速增长，安全事故也有明显增多。据不完全统计，从2011年截至到2015年底，国内外累积发生电动汽车安全事故39例。由此可以推断通过了安全法规标准测试后的锂离子电池产品依然存在发生安全问题的风险。并且锂离子动力电池相比于手机、笔记本电脑用锂电池的能量密度更高，因此安全风险也更高。

锂离子电池的危险性主要来源于以下几个方面：

(1)锂离子电池本身存在的风险：

a.温度升高造成有机溶剂和电极表面的反应，当SEI被破坏后，反应更加剧烈；

b.电池内阻导致不可逆发热，而正极还原反应及负极产热造成可逆发热。在对电池内短路的研究表明，接触短路电阻值与电池内阻接近，输出功率最高，短路瞬间产生的热量最多，危险性最大。

(2)锂离子电池生产制造带来的风险：

现阶段我国部分电池企业在生产规模和技术装备、生产制造水平、质量管理体系等方面同国外先进水平存在一定差距，产品质量及产品一致性和安全性还尚不能完全满足新能源客车的使用要求。

现行标准体系不能确保所有安全风险都能有效检出。现行标准基本上都是符合性检测标准，即标准规定短路、过充电、过放电、振动、冲击、挤压、碰撞(跌落)、针刺、热箱、低气压、温度循环等电气、机械和环境方面的试验项目，用以模拟电池在正常使用以及可预见的误用时的应用情况，确保产品在这些情况下的安全性。测试项目以不起火、不爆炸等作为通过与否的判定标准，然而实际测试过程中，样品可能会出现鼓胀、自加热、冒烟、漏液、冒火星、变形等情况，上述现象最终是否会引起热失控并发生起火爆炸无法判定，依然存在安全风险。此外，针对电池生产企业不同阶段的电池产品，需要制定不同的测试项目来保证其产品开发流程的安全性验证。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明建立了锂离子电池安全等级评价机制，通过三个安全等级的测试方法来评价锂离子动力电池企业不同阶段的产品进行安全性，从而补充现有对于锂离子动力电池产品安全性的判定方法，并提出电池模块安全设计的建议。

本发明的目的在于建立一种锂离子电池安全等级评价的测试方法。

实现本发明上述目的的具体技术方案为：

一种用于锂离子电池安全等级评价的测试方法，包括以下六类测试方法中的三种以上：短路、过充电、过放电、加热、挤压、针刺，其中，进行短路测试的短路电阻为0.5mΩ～5mΩ，进行过充电测试的温度为25～65℃，电流为1C～10C；进行过放电测试的温度为-40～65℃，电流为1C～10C；加热测试的温度为25℃～150℃，加热测试的时间30～60min；进行挤压测试的挤压程度为10～50％，温度为25～65℃；进行针刺测试的速度为1～150mm/s，保持时间为30min，温度为25～65℃。

进一步地，所述的测试方法将锂离子电池安全等级划分为低、中、高三级，低安全等级的为未知其安全性能的产品，中安全等级的为采用了安全技术的产品，高安全等级的为已经通过低安全等级和中安全等级测试的产品；

所述低安全等级的测试包括过充电、加热和针刺，

所述中安全等级的测试包括短路、过充电、过放电和加热，

所述高安全等级的测试包括短路、过充电、过放电、挤压和针刺。

本发明将安全等级设为三级，处于研发阶段的产品只测试针刺等三种，减少了检测工作量，测试内容也更加合理。

其中，所述低安全等级的测试中，过充电测试的温度为25℃，加热测试的温度为130℃、时间60min，针刺测试的温度为25℃，针刺速度为1mm/s、5mm/s、10mm/s、25mm/s、40mm/s、80mm/s、150mm/s。采用市购的温控型针刺挤压试验机可以实现不同速度测试。

其中，所述中安全等级的测试中，进行短路测试的短路电阻为0.5mΩ～5mΩ。可使用短路试验机进行调节。

过充电测试和过放电测试的电流为3C、时间为30min和90min；加热测试的温度为150℃。

其中，所述高安全等级的测试中，进行短路测试的短路电阻为0.5mΩ～5mΩ。

过充电和过放电测试的电流为3C、5C和10C，

短路、过充电、过放电、挤压和针刺测试均在45℃和65℃两种温度条件下进行。

现有的测试方法中，只进行25℃下的测试，而汽车动力电池实际环境温度可达60℃或者零下，本测试方法更符合动力电池的实际。

其中，待测试的锂离子单体电池放在可控制温度的防爆型环境舱中，静置30～60min后开始测试。

本发明提出的测试方法，产品的安全性验证依据上述测试流程对于产品进行测试，随着产品的安全等级的提高，测试项目增加且测试条件更为严苛，从而对产品的安全性进行更为完善的评价和验证。通过了上述测试的产品可划分为初、中、高三个安全等级，根据测试后样品状况划分为7个危险等级：1)无变化、2)变形、3)表面温度超过150℃、4)冒白烟(电解液喷出)、5)冒黑烟、6)起火、7)爆炸。

本发明根据测试条件来划分安全等级，即共分为三个安全等级，对于低、中等级，无变化、变形算符合安全要求；对于高等级，无变化、变形、表面温度超过150℃、冒白烟判定为符合高安全等级标准。每个安全等级分为上述的7个危险等级，危险等级越低则证明安全性越好。

本发明所提供的测试方法具备以下优点：提供了针对不同阶段锂离子电池产品安全性验证的方法；提出了更为严苛的安全测试方法，对于锂离子电池安全风险的预测更具有针对性；补充现有对于锂离子动力电池产品安全性的判定方法，提出电池模块安全设计的建议。

本发明的测试方法可应用于：

(1)更为准确地划分锂离子动力电池的安全等级，可以更为有效地控制电池产品的安全风险，并且为相关企业对于电池产品的选型提供参考依据；

(2)建立锂离子动力电池在不同产品阶段的安全验证方法。

附图说明

图1为进行短路、过充电、加热试验的设备组成示意图；

图中，1为防爆型环境箱内，2为短路设备，3为充放电设备。

图2为通过测试平台实施例1测试得到的锂离子电池过充电曲线；

图3为进行针刺试验前后的视频截图。

图4不同安全级别产品测试流程图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例中，如无特殊说明，所用手段均为本领域常规的手段。

本发明将电池分为三个安全等级，低、中、高三级的测试流程见图1。以下通过实施例来具体说明。

实施例1：

未知其安全性能的新产品，通过以下测试判定安全等级：

短路试验：

1)25℃下，在环境舱内放入一个单体电池，静置30min，保证单体电池整体温度与环境舱内温度一致；

2)向步骤1)中的单体电池进行短路激发，短路电阻为<0.5mΩ，短路时间>10min；

3)记录短路电池的电压、短路电流和温度变化，测试实验前后单体电池的状态和重量。

过充电试验：

1)25℃下，在环境舱内放入一个单体电池，静置30min，保证单体电池整体温度与环境舱内温度一致；

2)对步骤1)中的单体电池进行过充电激发，过充电的电流大小为1C，过充电时间分别为90min；

3)记录过充电电池的电压和温度变化(参见图2)，测试实验前后单体电池的状态和重量。

加热试验：

1)25℃下，在环境舱内放入一个单体电池，静置30min，保证单体电池整体温度与环境舱内温度一致；

2)对步骤1)中的单体电池进行加热，加热温度为130℃，加热时间为60min；

3)记录加热电池的电压和温度变化，测试实验前后单体电池的状态和重量。

采用的设备如图1，待测试的单体电池放置在防爆型环境箱1内，测试短路的夹具连接有短路设备2，测试充放电的电极连接充放电设备3。

针刺试验(采用市购温控型针刺挤压试验机)：

1)25℃下，在环境舱内放入一个单体电池，静置30min，保证单体电池整体温度与环境舱内温度一致；

2)向步骤1)中的单体电池进行针刺，针刺速度为1mm/s；针刺保持时间为30min；

3)记录针刺电池的电压和温度变化，测试实验前后单体电池的状态和重量。

针刺测试：

1)25℃下，在环境舱内放入一个单体电池，静置30min，保证单体电池整体温度与环境舱内温度一致；

2)向步骤1)中的单体电池进行针刺，针刺速度为25mm/s；针刺保持时间为30min；

3)记录针刺电池的电压和温度变化，测试实验前后单体电池的状态和重量。

电池在测试中其外观出现：1)无变化、2)变形，判定为符合低安全等级标准。出现以下：3)表面温度超过150℃、4)冒白烟(电解液喷出)、5)冒黑烟、6)起火(参见图3)、7)爆炸；判定为不符合低安全等级标准。

实施例2

采用安全技术的产品，通过以下测试判定安全等级：

加热试验：

1)25℃下，在环境舱内放入一个单体电池，静置30min，保证单体电池整体温度与环境舱内温度一致；

2)对步骤1)中的单体电池进行加热，加热温度为150℃，加热时间为60min；

3)记录加热电池的电压和温度变化，测试实验前后单体电池的状态和重量。

短路试验：

1)25℃下，在环境舱内放入一个单体电池，静置30min，保证单体电池整体温度与环境舱内温度一致；

2)对步骤1)中的单体电池进行短路激发，短路电阻为<5mΩ，短路时间>10min；

3)记录短路电池的电压、短路电流和温度变化，测试实验前后单体电池的状态和重量。

过充电试验：

1)25℃下，在环境舱内放入一个单体电池，静置30min，保证单体电池整体温度与环境舱内温度一致；

2)对步骤1)中的单体电池进行过充电，过充电的电流大小为3C，过充电时间分别为30min；

3)记录过充电电池的电压和温度变化，测试实验前后单体电池的状态和重量。

过放电试验：

1)25℃下，在环境舱内放入一个单体电池，静置30min，保证单体电池整体温度与环境舱内温度一致；

2)对步骤1)中的单体电池进行过放电，过放电的电流大小为3C，过放电电时间分别为30min；

3)记录过放电电池的电压和温度变化，测试实验前后单体电池的状态和重量。

电池在测试中的外观出现：1)无变化、2)变形、判定为符合中安全等级标准。出现以下：3)表面温度超过150℃、4)冒白烟(电解液喷出)、5)冒黑烟、6)起火、7)爆炸；判定为不符合中安全等级标准。

采用的设备同实施例1。

实施例3

通过了低、中安全测试的产品，通过以下测试判定是否符合高安全等级。试验样品为同一批产品。

1)45℃下，在环境舱内放入一个单体电池，静置60min，保证单体电池整体温度与环境舱内温度一致；

2)对步骤1)中的单体电池进行短路，短路电阻为<5mΩ，短路时间>10min；

3)记录短路电池的电压、短路电流和温度变化，测试实验前后单体电池的状态和重量。

65℃短路试验：

1)65℃下，在环境舱内放入通过步骤3)的单体电池，静置60min，保证单体电池整体温度与环境舱内温度一致；

2)对步骤4)中的单体电池进行短路，短路电阻为3mΩ，短路时间>10min；

3)记录短路电池的电压、短路电流和温度变化，测试实验前后单体电池的状态和重量。

45℃针刺试验：

1)45℃下，在环境舱内放入一个单体电池，静置30min，保证单体电池整体温度与环境舱内温度一致；

2)向步骤1)中的单体电池进行针刺，针刺速度为25mm/s；针刺保持时间为30min；

3)记录针刺电池的电压和温度变化，测试实验前后单体电池的状态和重量。

65℃针刺试验：

1)65℃下，在环境舱内放入一个通过45℃针刺测试的电池，静置30min，保证单体电池整体温度与环境舱内温度一致；

2)向步骤1)中的单体电池进行针刺，针刺速度为25mm/s；针刺保持时间为30min；

3)记录针刺电池的电压和温度变化，测试实验前后单体电池的状态和重量

45℃挤压测试：(采用温控型针刺挤压试验机)

1)45℃下，在环境舱内放入一个单体电池，静置30min，保证单体电池整体温度与环境舱内温度一致；

2)对步骤1)中的单体电池进行挤压，挤压速度为5mm/s；挤压程度为15％；挤压保持时间为30min；

3)记录挤压电池的电压和温度变化，测试实验前后单体电池的状态和重量。

65℃挤压测试：

1)65℃下，在环境舱内放入通过45℃挤压的一个单体电池，静置30min，保证单体电池整体温度与环境舱内温度一致；

2)对步骤1)中的单体电池进行挤压，挤压速度为5mm/s；挤压程度为50％；挤压保持时间为30min；

3)记录挤压电池的电压和温度变化，测试实验前后单体电池的状态和重量。

过充放电试验：

1)45℃下，在环境舱内放入一个单体电池，静置60min，保证单体电池整体温度与环境舱内温度一致；

2)对步骤1)中的单体电池进行过充电，过充电的电流大小为3C，过充电时间分别为30min；

3)记录过充电电池的电压和温度变化，测试实验前后单体电池的状态和重量。

4)对步骤1)中的单体电池进行过放电，过放电的电流大小为3C，过放电电时间分别为30min；

5)记录过放电电池的电压和温度变化，测试实验前后单体电池的状态和重量。

65℃过充电试验：

1)65℃下，在环境舱内放入一个单体电池，静置30min，保证单体电池整体温度与环境舱内温度一致；

2)对步骤1)中的单体电池进行过充电，过充电的电流大小为3C，过充电时间分别为30min；

3)记录过充电电池的电压和温度变化，测试实验前后单体电池的状态和重量。

4)对步骤1)中的单体电池进行过放电，过放电的电流大小为3C，过放电电时间分别为30min；

5)记录过放电电池的电压和温度变化，测试实验前后单体电池的状态和重量。

电池在测试中的外观出现：1)无变化、2)变形、3)表面温度超过150℃、4)冒白烟(电解液喷出)判定为符合高安全等级标准。出现以下：5)冒黑烟、6)起火、7)爆炸；判定为不符合高安全等级标准。

以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。