朱昊天 杨亦洲
江苏省电子信息产品质量监督检验研究院（江苏省信息安全测评中心）214073
摘要：近年来，现代科技快速发展的同时促使移动通讯产品领域迎来了新的变革时代，手机产品日新月异，不同品牌手机电池质量也有明显的差异。随着居民生活水平的提高，电子产品使用出现新的需求，锂电子电池发展技术不断提高并广泛应用于各行业领域，与此同时还存在一些安全方面的问题。此种情况下，深入研究锂离子电池检测标准成为该电池技术发展的重要因素。基于此，本文从以下几方面简单论述了锂电池检测安全标准与安全防护相关知识，希望对相关领域研究有帮助。
关键词：锂电池检测；安全标准；防护
引言
当前，锂离子电池产品生产中因安全问题引起的产品召回案例不断增加。Li+有很高的活性与能量密度，由此为锂离子电池产品带来了很大的安全隐患。现阶段，筛查锂离子电池安全性能特别是潜在微小结构引起的安全隐患，检验方法与标准与锂离子电池技术发展不相符，评价方法与体系不满足锂离子电池产品安全性能评估方面的需求。
1、概述锂电池及其安全性能检测标准
1.1分析锂电池及充放电原理
锂离子电池有很高的能量密度，以锂离子材料生产而成，也是智能电池的一种，可将原装智能充电器交替使用保障快速充电，延长使用寿命与最大容量。
（1）正负极材料。锂离子电池正极材料为氧化铅锂，而负极材料为碳材。正极形成锂离子后嵌入或迁出负极材料以此促使电池完成充放电。
（2）充放电原理。电池充电是，正极材料产生的离子溶出并嵌入到负极改性石墨层中；而放电时，石墨层锂离子会脱嵌通过隔离膜返回正极氧化铅锂层结构，在此基础上形成锂离子移动电流。
（3）电池充电特点。电池充电与充电时间密切相关，伴随充电时间的不断变化，锂离子电池自身电压与充电电流也发生了相应的改变。实际充电过程中，开始是恒流充电，有恒定的电流而且电压随之增长。电压充到4.2v（负极石墨材料电压上限为4.2v）后自动变成恒压充电状态。此过程中有恒定的电压而且电流也不断减小。充电电流低于预先设定值（0.02CSA）后方可停止。恒压充电根本原因在于，不同电池其有相应的内阻。恒流充电为4.2v后，这并非电池实际电压，是其电压与电池内阻耗损电压间的和。减弱电流比较高，内阻耗损电压就会很高，电池实际电压相较之4.2v要小很多。因而，恒压充电时缓慢降低充电电流，此种情况下电池实际电压就与4.2v比较接近。
（4）锂离子电池优劣势：相较之其它电池，锂离子电池优势在于有很高的能量密度与工作电压、没有记忆效应且自放电效率不高；其缺点是成本大、有很高的内部电阻而且无法很好的输出大电流。另外，锂离子电池不适用于过度充放电，假若过度充放电或短路，就会引起电池温度增长严重引起爆炸，所以为锂离子电池增加保护电路规避危险是十分必要的。
1.2简述锂电池安全性能检测标准
现阶段，国际电工委员会（IEC）锂离子电池标准是广泛应用的国标，结合实际情况，国航运输协会（IATA）、联合国危险货物运输专家委员会与国际民航组织（ICAO）等组织制定了相应的标准保障锂离子电池安全运输，应用范围比较大。另外，部分国家与组织也制定了锂离子电池安全标准，其也产生了一定的影响，该标准有类似的检测项目，但实际有不同的测试条件。
4个国际标准是应用频率多且应用比较大的标准，《联合国危险品运输实验与标准手册》等规定与锂离子电池运输安全测试与要求，锂离子电池运输中模拟所处外部环境与机械震动，其试验项目包含高度模拟、震动、冲击、温度试验、外短路、撞击、过度充电及强制放电等项目，电池测试时要注意不能脱落包装、不能出现变形、质量不能受损、没有漏液、泄放、短路、破裂、爆炸及着火等潜在危险。电池用一次非充电与二次可充电锂电池产品中适用于GB 31241-2014《便携式电子产品用锂离子电池和电池组安全要求》，该标准目的在于降低锂电池产品使用过程中引起的着火或爆炸等危险几率。标准中规定电池性能测试主要涉及电池短路试验、非正常充电试验与强制放电试验。另外，机械试验则涉及挤压、撞击、冲击与振动等方面的实验。环境方面的试验包含热滥用、温度循环、高空模拟及抛射体等方面的试验项目。试验过程中，规定被检测电池不能发生起火、爆炸、燃烧、漏液或者排气等，而且包装不能出现破裂。与此同时，EEE1625：2008《笔记本电脑用可充电电池标准》等是为便携式计算机与蜂窝电话等蓄电池设计、生产与开发构建的规定准则，其包含其它电池标准备受关注的电池或电池组。总体而言，这些标准综合来了电芯、电池、主机节点、电源附件、消费者与环境等方面内容，这些标准以设计与制造为主，涉及到的电池后期应用问题特别是安全方面的问题比较少。
2、分析锂电池检测安全风险与危险分级
2.1检测潜在危险
电池安全检测试验时，通常是对极端工况进行模拟。众所周知，因锂电池自身比较危险，所以电池检测中各类安全风险也是无法避免的。比如在针刺、挤压、高温、过充与短路等外部因素作用下，电池内外部发生短路，而在此过程中电池内部有较多的副反应以此形成很多热量。但如果这些热量扩散不出去就会引起热失控，最终损害电池，由此引发漏气漏液甚至起火等安全事件，严重的话还会造成爆炸。另外，电池壳体被破坏后也会发生电解液泄露，而且内部有机溶剂有很强的挥发性、气化几率比较大，有刺激的毒害物质。另外，电池检测时，振动与碰撞等试验时也会引起机械冲击或噪音振动等不安全事件。
2.2检测结果危险等级
结合联合国制定的《关于危险货物运输的建议书—试验和标准手册》制度划分危险品种类，锂离子电池属于第九项危险品一类。对于锂离子电池安全等级的评估，结合各类危险可能性及其发生后果划分各危险现象等级。锂电池危险现象检测包含是否存在破裂、漏气以及漏液等现象；产品质量是否被损耗；或者是否出现爆炸或火灾事故。结合实际检测结果，当前主要参考European Councilfor Automotive Ｒ＆D要求界定锂电池安全危险等级。
3、锂电池检测安全标准侧重点及存在的缺陷
3.1安全检测标准侧重点
随着社会经济的快速发展，国家电工委员会所指制定的标准是国际上比较常用的锂离子电池检测标准。有的国家或组织，如美国保险商实验商、日本国家标准局或美国电气与电子工程师学会等都制定了相应的标准，但同时也产生了很大的影响力。这些检测项目标准有一定的相似处，实际检测条件有所不同，其主要侧重点表现为：
（1）以设计与制造为主。例如工EEE1625与工EEE1725等标准以产品设计与制造为主。其中工EEE1725将手机锂离子电池系统划分成电芯、电池、柱基与电池组等几个板块，明确规定了电池电芯原材料、设计、制造与成品等要求。但这些检测标准只是重视产品设计与制造，锂离子电池使用时安全方面的问题涉及的比较少。
（2）倾向于运输机械震动及外部环境。
此过程中，UN38.3.IEC62281:2012检测标准则是通过撞击、冲击、振动、温度试验、外短路与高度模拟等手段检测电池运输过程中出现的潜在安全风险，然而对于锂离子电池使用中存在的安全隐患涉及到的也不多。
（3）重视锂电池性能及安全性检测。实际工作中，如UL1642.GB8897.4等电池检测标准，其监测项目涉及抛射体、温度循环、高空试验模拟、冲击、强制放电试验、异常充电及短路等内容。检测过程中锂离子电池包装不能出现破损、不存在燃烧、排气、爆炸及起火等标准，其重点要求锂离子电池自身要具有一定的安全性，还要注意温度造成的电池安全隐患。实际检测中，无法有效量化硬性判断依据，只可利用被测电池变形、泄露、破裂、冒烟及起火爆炸等方面分辨，电池内部潜在风险无法被准确检测出来。
3.2安全检测标准存在的缺陷
锂离子电池使用过程中，过充是引起电池安全隐患的重要因素。如果电池发生过充问题，此过程中很多化学反应是不可逆的，就会引起电能转换为热能，从而导致电池温度快速上升内部出现相应的化学反应。尤其是电池自身没有很好的散热功能，一般就会造成比热冲击更加严重的问题，引起起火或爆炸等事故。
锂离子电池使用过程中，综合分析电池检测标准，锂离子电池安全性能检测及判断还不够完善。这些标准大多是为锂离子电池设计制造及外部环境所制定的标准，就算是相关安全性能标准自身没有完善的量化评判体系及检测方案，尤其是判断依据主要涉及电池变形、泄露、，冒烟、破裂、起火与爆炸等方面。所以，现阶段，锂离子电池使用过程中，定量分析电池温度变化与热效应是亟待解决的问题，同时制定相应的检测标准判断电池安全风险。近些年，针对锂离子电池安全检测，国内外学者积极探究更加科学而高效的检测措施，其中电池热效应与温度方面研究取得了很大的成就。检测电池表面温度过程中，要结合相应的电化学模型，通过量热发对电池充电过程中形成的热传导系数及热量进行综合分析，在此前提下构建热效应理论模型，对电池内部实现直接模拟从而准确呈现电池热效应现象。
目前，锂离子电池行业已经形成了很多热效应模型，基于传统热电偶测温法应用电池测温措施。此过程中，因热电偶自身有复杂的操作流程，而且自身布点是非常有限的，不利于全面了解样品对应温度分布。另外，热电偶自身具有一定延时性，这就是的锂离子电池温度实时变化得不到准确地反映。
目前，锂离子电池检测标准理论研究层面来讲，大多应用理论模拟措施对锂离子电池热安全性能进行检测，利用模型设计结合电池热性能分析获得对应环境中锂离子电池温度变化曲线。实际工作中，应用这些理论模型测量锂电池表面温度并准确评估其内部温度，再对比热电偶模式温度检测结果，以此明确理论模型预判与准确性，同时全面评价锂离子电池的安全性。锂离子电池检测过程中，构建理论模式便于人们深入了解锂离子电池自身具有的热效应，但该模型不能直观评价并检测锂离子电池自身安全性能。
4、锂电池检测标准实时安全防护建议
锂离子电池检测中，基于电池自身性能，检测的同时可能会出现高温、起火甚至爆炸等不安全因素，要采取有效的安全措施做好防护以此保障检测人员与设备安全。
4.1样品区检测安全防护
锂离子电池检测时，要独立设置电池样品存放区，比如将样品存放区划分成测试前、测试中、贯彻隔离及测试后待处理等相关独立区域。同时，还要设置全封闭性空间很好地承受爆炸造成的冲击，设置监测预警设备与应急处理装置，比如烟雾探测器、火灾报警装置及急喷淋自动灭火装备等装置。此过程中，要注意电池运行中，环境温度太高或绝热现象都会加大电池内部故障几率，使得电池极易出现热失控问题。所以，实际工作中，要尽量避免电池电芯接触高热物体，有效隔离各锂电池、及其与热燃烧产品与氧化剂等，这是非常必要的。此外，锂电池检测过程中实验室还要配置相应的防护用品如绝缘手套、口罩及护目镜等，以及防暴头盔、防爆服与防爆面罩等应急处理个人防护用品等，这些都是非常必要的。
4.2试验区检测安全防护
锂离子电池检测过程中，尤其是挤压、跌落与针刺实验等都会埋下电池失火或爆炸等相关安全隐患。所以，要分区域设置锂电池检测试验场所并设置相应的防护隔板，将其划分为样品试验区与实验控制区，而且这两个区域间要有相应的隔层很好地承受爆炸冲击、阻隔烟雾还要有很好的耐火作用，以此保障检测人员生命安全。另外，电池检测过程中还要有效隔离高温实验设备，检测人员远离危险区域后才能加热操作。试验区设置烟雾排放口，一旦样品发生起火或爆炸，就可自动释放压力并中断实验，做好相应的灭火与排烟。
结束语
综上所述，当前，锂离子电池行业市场中安全性能是重要检测指标。锂电池使用过程中成本因素会影响其使用性能，安全性能也是非常重要的影响指标。因锂离子电池具有一定的特性，早期使用时期不会有明显的异常化学行为，此类潜在隐患为锂离子电池合格率判断带来了困扰。纵观现阶段锂离子电池国内外常用安全性能检测标准，分析发现截止对于锂离子电子安全性能风险检测，国内外还未形成有效的检测方法与判断依据，还没有形成很好地检测与筛选方法实现高效检测电池安全性能目标。
同时，随着时代的进步，人们对锂离子电池使用安全性提出了更高的要求，各电池制造商与相关行业协会、管理部门等要深入研究锂离子电池自身安全性能检测标准，以此构建完整而有效的安全性能检测体系，基于现有标准体系不断提高检测要求。同时，深入细化检测标准明确电池安全性能判断依据，以此逐步完善锂离子电池现有检测标准与体系，锂离子电池自身安全性能检测水平提高的同时，推动锂离子电池市场健康稳定的发展，全面保障用户使用安全。
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