锂电池IEC 标准

1. 介绍

     在日本生产的二次锂电池早已有了定型模式.但是,近年来又开始着手于圆柱形和菱柱型电池的工作.国际电气工艺组织开始准备一系列新的电池标准,包括安全标准.另一方面对于因容量变大而引起事故的一些第二代锂电池安全性的确保工作越来越重要.不要将过去出现的问题在将来重现.

     对于二次锂电池的安全问题,需要学习电池充电方面的安全技术以及已充电电池的放电安全技术.

     2. 概述

     这个方针介绍了电池制造商将要完成的最小安全标准.该方针适用于螺旋电极和分层结构的圆柱形和菱柱形电 池,并且这些电池是作为小型手提式工具的电源,容量范围在100 5000mAh.该方针对于一些一直在生产的电池的电池厂家同样适用,在今后也会开始运用.

     这个方针通过对假设的各种不安全模式进行评估测试,从而判断,提高安全水平和质量.

     二、第二代锂电池评估指导

     1. 目的电池

     在这本指导手册中作取样电池的是用于小型手提式工具的二次锂电池.

     (*1):在这些例子中,电力能源指的是工具的移动电力能源,因此不包括一些备份内存.

     以往在市场上广泛使用的锂电池没有列入该手册中,因为那些电池的型号更小,他们通过的限制电流的电容也较小,因此,从安全性能方面考虑的危险系数是可以忽略的.

在该手册中,要求的二次锂电池属于以下几种分类:

     (1) 作为轻便的电动工具的电力能源

     (2) 螺旋电极和分层结构的圆柱形和菱柱形电池

     (3) 圆柱形电池的尺寸在D 和N 之间

     (4) 菱柱形电池的容量在100 至5000mAh

     (5) 只能是电池,包括集合电池

     (*2)集合电池被包括在其中是因为在现阶段,集合电池更难规定或表示其外形,结构,尺寸.集合电池的介绍手册将今后适当的阶段准备.

     2.手册要领

     安全评估的过程是安排在电池正常使用中,或者是在可以预见的操作方法不当中,或者是在特殊情况的操作中,如充电器发生故障,电池使用工具发生故障.该程序还介绍了一些正常使用中可以避免的不当行为的情况.安全评估被分为以下三类,每一类都有详细的步骤:

     (1)电性能测试

     (2)机械性能测试

     (3)环境性能测试

     测试结果的标准根据危害人类身体的危险情况不会发生来决定.在这些步骤中,每项测试选择5 个电池作样品,这是考虑到这个数字足够来判断电池安全程度.

     4.评估测试项目

     4.1(1)电性测试

     测试项目 充电状态 电池条件 温度 评估测试方法 标准

     1.外部短路 完全充电 刚生产完的电池 室温60℃ 通过电阻小于50mΩ 的电线在两极短路6 小时以上 没有爆炸,没有着火的现象

     2.强行放电 完全充电 刚生产完的电池 正常室温 按厂家推荐的电流强行深度放电计算容量的250%.*如果在测试过程中达到安全或保护功能,可以终止测试 没有爆炸,没有着火的现象

     3.连续充电 完全放电 刚生产完的电池 正常室温 按厂家推荐的方法充电,并在指定的电压持续28 天 没有爆炸,没有着火,没有裂开的现象的现象

     4.过量充电 完全放电 刚生产完的电池 正常室温 按厂家推荐的电流充到计算容量的250%.*如果在测试过程中达到安全或保护功能,可以终止测试 没有爆炸,没有着火的现象

     5.大电流充电 完全放电 刚生产完的电池 正常室温 按厂家推荐的充电电流的3 倍电流给电池充电至计算容量100%以上 没有爆炸,没有着火的现象

     4.1(2)Ⅰ机械性能测试

     测试项目 充电状态 电池条件 温度 评估测试方法 标准

     1.振动 完全充电或完全放电 刚生产完的电池 正常室温 将电池在XYZ 三个方向振动90 至100 分钟,振幅为0.8mm,频率为10HZ,频率的变化率为1HZ/min.测试后,完全放电电池将被充电到由厂家推荐的完全容量. 没有爆炸,没有着火,没有变形的现象

     2.加速度 完全充电或完全放电 刚生产完的电池 正常室温 以时间为单位加速在初始3 毫秒里,平均加速度为75g(g 为重力加速度单位),到达顶峰时为125-175g.在每一个XYZ 互相垂直的方向振动.测试后,完全放电电池将被充电到厂家推荐的容量. 没有爆炸,没有着火,没有变形的现象

     3.掉落 完全充电或完全放电 刚生产完的电池 正常室温 从1.9m 高的地方自由掉落10 次到水泥地面上.测试后,完全放电电池将被充电到厂家推荐的容量. 没有爆炸,没有着火的现象

     4.1(2)Ⅱ测试项目 充电状态 电池条件 温度 评估测试方法 标准

     4.钉子穿过电池 完全充电 刚生产完的电池 正常室温 用直径2.5 至5mm 的钉子穿过电池的纵心轴*将钉子放入电池内6h. 没有爆炸,没有着火的现象

     5.挤压 完全充电 刚生产完的电池 正常室温 将电池放在两块扁铁板间以使电池的纵轴心与扁铁板平行,再给  电池施加13kN 的压力 没有爆炸,没有着火的现象

     6.撞击 完全充电 刚生产完的电池 正常室温 将一个圆柱形木棒(直径为7.9mm)越过电池顶部,与电池纵心轴垂直.9.1kg相当重量从61cm高度掉落下来. 没有爆炸,没有着火的现象

     7.10m 掉落 完全充电 刚生产完的电池 正常室温 从10m 高的地方任意将电池掉落到水泥地面上. 没有爆炸,没有着火的现象

     4.1(3)Ⅰ环境性能测试

测试项目 充电状态 电池条件 温度 评估测试方法 标准

     1.高温储存 完全充电 刚生产完的电池 (a)在温度100℃的烤箱中储存5 小时后将电池放在温度为20℃的地方放置24h(b)在60℃的烤箱中储存30 天后将电池放置在温度20℃的地方24 小时 没有爆炸,没有着火的现象

     2.热量冲突 完全充电 刚生产完的电池 在2 小时内经过10 个连续循环分别在-20℃和40℃将电池从-20℃移到60℃的地方,并且替换时间在5 分钟之内 没有爆炸,没有着火,没有损坏,没有变形的现象

     3.低压 完全充电 刚生产完的电池 室温 将电池放置在绝对压力等于或小于11.6kpa,时间为6 小时 没有爆炸,没有着火的现象

     4.1(3)Ⅱ环境性能测试(不正当行为)测试项目 充电状态 电池条件 温度 评估测试方法 标准

     4.热量升温 完全充电 刚生产完的电池 将电池放入烤箱以5±2℃/分钟的速率加热直到130℃.再将电池放置烤箱60 分钟左右. 没有爆炸,没有着火的现象

     5.掉落至水中 完全充电 刚生产完的电池 室温 将电池浸入水中(室温)24 小时没有爆炸,没有着火的现象

     定义

     完全充电:为达到厂家指定的计算容量,在厂家推荐的充电条件(包括电流,电压,温度,时间等)下,对电池充电.而且,电池的时间要求是在充电后的一个星期内.

     完全放电:在由厂家推荐的放电条件下(包括电流,温度等),按指定的放电电压对对电池放电.而且电池的时间要求是在放电后的一个星期内.

     刚生产完的电池:电池的要求是在生产后不到一个月,并且是接受少于XX 充放循环.

     电池周期:按厂家推荐条件对电池连续充电,放电,并且电池的放电容量已经在厂家指定计算容量下降了40%至60%.

     室内温度:在测试中,室温是指20±5℃,这是平常房间里的温度,这个设定值是要基于要在一个简单的测试环境中.

     爆炸:爆炸是指电池内部内质散射或是电池外壳部分被裂开而引起爆炸或损坏.

     起火:起火是因电池内部自燃或灼烧引起的着火.

     安全阀操作:安全阀操作的意思就是指在电池正常使用过程中排气(将电池内压释放到外界).

     变形:变形是指电池因外压或内压引起形状明显,可视的变形.

     4.2 测试数量

     在测试中的标准是评估安全的水准,以下的数量是按目的所要求的.每项测试项目要求数量:n=5

     4.3 解释

     4.3.1 电性能测试

     1.外部短路

     当正极,负极两端被短路(用一根铁丝或金属作电阻)时,可以预见的危险有电池将突然发热,因有很大的电流流动,电池温度升高.如果温度超过电池的承受能力,电池会爆炸或起火.

     这项测试是假设电池在处理或使用时方法不正确引起电池外部短路,这所以要将测试温度设置在60℃,是因为要确保在调温下电池因外部短路而发热将仍处于安全状态.这个温度的要求是按照UL｀S 外部短路而(UL1642).最大的电阻(50mΩ)是由日本IEC 国家委员会(TC35/WG8)而指定的估计值.

     2.强行放电(可逆过程)

     电池由于外部强行放电或因错误地强行逆向充电,而引起的可以预见的危险有:电池发生正常的化学反应,导致内压,温度升高.如果操作过度,电池将爆炸或起火.

     这个测试是假设这样一种情况:电池因被错误地反向联接到充电器上,或者是在一个组合电池里有一个电池低容,那么在对该组合电池放电时,那支低容电池将会强行放电(当新旧电池或不同容量的电池放在一个电池盒中,也将出现这种情况)厂家依照UL｀S 的强行放电测试条件而推荐的电流,将电池放电计算容量的250%以上.

     当电池具有这些安全,保护性能,电流没有因这些功能发生变动,可以在电池上注明标识,并且可以不要继续测试.

     3.连续充电

     当超过电池所能承受的限制连续给电池充电时,可以预见的危险有电池充电过量,内压升高导致电解质分解.

如果内压超过一定限度,电池会爆炸.

这项测试假设电池被连接到充电器正常充电操作.

连续充电的时间定为一个月是因为电池在完全充完电之后,正常动作的充电器会按设计值提供较少的电流,所以将时间定为一个月,从而让电池充分的连续充电.

     4.充电过量

当电压升高超过电池所能承受的限制,而引起充电过量,可预见的危险有:电池内压在充电时升高导致正常化学反应或温度升高发热,结果,电池将爆炸或起火.

     这项测试假设这样一种情况:充电器没有正常发挥作用,特别是它的电压控制电路失去控制.

因为充电器电流控制被假定为正常操作,因而由厂家推荐值作电流,而且将充电容量定为计算容量的250%是考虑在超过电池承受限制,过量充电时确保安全.

     如果电池具有这些安全,保护功能,电流不发生变动,给其注明标识,测试也不需再进行.

     5.大电流充电

     当电池因很大电流充电时,可以预见的危险有因焦耳热使温度升高,如果温度升高超过权限,电池会爆炸,起火.

这项测试假设这样一种情况:充电器没有正常动作,特别是充电器控制设置失去控制,在这项测试中,将电流设为厂家所提供电流的三倍值(这个值已经达到限制),因为即使电流控制器失效因为充电器的内阻和输出容量的原因,也不会让再大的电流通过.

     并且,充电容量被指定为100%,是因为这项测试要检查很大电流流动的影响.

     如果电池具有这些安全,保护功能,电流不发生变动,给其注明标识,测试也不需再进行.

     4.3.2Ⅰ机械性能测试

     1.振动

     当电池发生振动,可预见的危险是:电池内部的连接片从连接点断落或者活性物质脱落,导致电极直接接触(内短路),这种反应会加速进行,并且超过一定限度,电池由于内压升高将爆炸或起火.

     这项测试假设这样一种情况:电池在运输中或用户使用时方法不当而受到振动.这个测试方法参照了其它标准,比如:UL,DOT,LATA 等.

     这项测试要定于完全放电状态是因为电极处于完全放电状态更容易移动,因而电池更容易在振动时受到损坏,而且,在测试完之后再将电池充电,这种损坏更明显.

     2.加速度

     当电池受撞击时,可以预见的危险与振动示例中的相同.

     这项测试是要假设在运输过程中,电池受颠簸的危险或因用户失误将电池不断摔落.

     这项测试是参照DOT,LATA 标准

     如果电池具有这些安全,保护功能,电流不发生变动,给其注明标识,测试也不需再进行.

     3.摔落

     当电池摔落可以预见的危险与电池振动示例中的相同.这项测试是假设因为某个人的失误造成电池摔落,电池摔落的高度被指为1.9m,这个高正好是一般人把手抬起来的高度.

     如果电池具有这些安全,保护功能,电流不发生变动,给其注明标识,测试也不需再进行.

     4.3.2i 不正行为测试

     4.钉子穿透电池因失误把一根钉子错误的穿过电池,将会把正,负极直接相连,导致外部短路,电池会因突然反应产生发热而爆炸,起火.

     这项测试假设一种情况:把电池放在箱内,误使钉子穿透电池,或假设内部短路情况来达到安全评估.

     在本手册中,这些测试都是假设不正行为或内短路.

     5.挤压

     当电池受强大压力而挤压时可预见的危险有正,负极的空间变窄,并且,正,负极可能直接接触而引起的内短路.电池可能爆炸或起火.

     这项测试假设电池受强压而被挤压,比如汽车.在这项测试中,将挤压条件定为13kN 的汽车载重量是可行的,并且是参照UL1642.

     6.冲击

     由于重力,电池受到突然的冲击或掉落相当重量物质到电池时,可以预见的危险有:发生电池内部短路.

     这项测试假设一个相当重量的物体掉落在电池上,物体将给出强大的冲击在电池的某个部位.这项测试参照UL.

     7.10M 掉落

     当电池从很高的地方掉落下来,可以预见的危险有:由于掉落的冲击,电池被挤压,结电池会爆炸或起火.

     在这项测试假设电池从很高的地方比如楼顶或房间窗户.

     在这项测试中,电池掉落的高度定为10M,这个高度比一般房子的窗户掉落下来更严重.

     4.3.3Ⅰ环境性能测试

     1.高温贮存

     当电池被错误的放入高温地方,可以预见的危险有:电池因温度变热,正负极间的高分子隔离物融合,不能在两极间分开,结果,因两极接触而内短路.那么,电池内部突然发生反应,如果过热,电池会爆炸或起火.

     这项测试假设这样一种情况:当电池因外界高温受热或是电池在被置在汽车仪表,直接在夏日受阳光照射而受热,或者是温度控制设置发生故障,而使室内温度升高.

     2.热量升高

     当电池经过一段很厉害且迅速的温度变化,可以预见的危险有:因温度变化而冲击高分子组成,因膨胀系数的不同使高分子和金属组成成分变形或损坏.

     这项测试假设这样一种情况:电池在很短的时间里经过迅速的温度变化,例如电池突然从外界搬到室内,特别是接近室内火源旁,或是在严冬从室内搬到室外.

     根据MIL 和JIS 标准,在这项测试中,交换时间要求少于15 分钟.

     3.低压

     当电池在很高海拔的地方,处于很低的环境压力中,比如空运,可以预见的危险有:因密封部被破坏电池内部物质发生爆破或摩擦,以致引起爆炸或起火.

     这项测试假设了电池在飞机上运输,没有被加压,处于50,000feet 相当的高度的低压环境中.

     这项测试参照了以下标准:DOT,ICAO 和LATA.

     4.3.3Ⅱ不正当方法的测试

     当电池被过度加热,可以预见的危险有:正,负极间的高分子隔离物融合,两极不能被分开,互相接触,结果发生反应,电池会爆炸或起火.

     在这项测试中,假设电池被放置接近热源的地方,或者,因不正行为,如把电池放在车的仪表板,直接受阳光照射或测试控制设置发生故障因而室内温度升高.

这项测试中将温度设为130 度是考虑到在反常情况下,如温度控制设置发生故障时最大温度低于120 度.

     5.掉落水中

     当电池浸没水中,可以预见的危险有:高压电池的正极接线端发生溶解反应,然后,电池密封性被破坏,水也进入电池和电池内物质发生反应,电池因产生的热量会爆炸或起火.

     这项测试就是假设因为失误电池掉入水中.