1.   引言

2004年，日本某公司生产的笔记本电池发生起火事件，在详细研究分析了电池起火的原因后，认为是由于锂离子电池内部混入了金属小微粒造成的内部短路引起的电池起火。日本有关方面据此提出了“单电池强制内部短路试验”（单电池即电芯），并写入JIS C 8714:2007标准。2008年11月，日本政府正式推出锂离子蓄电池PSE认证要求，对2008年11月20号以后出口到日本的锂离子电池，凡是符合日本《电器用品安全法》中规定对象的都必须经过PSE认证，而“单电池强制内部短路试验”作为锂离子电池PSE认证的一个重要试验项目，成为进入日本的锂离子电池的一个重要技术壁垒。“单电池强制内部短路试验”是一个全新的试验项目，之前各种标准中并没有类似的试验内容。本文将向读者介绍“单电池强制内部短路试验”的试验条件和设备方法，并对其有效性进行探讨。

2.   单电池强制内部短路试验的目的

   “单电池强制内部短路试验”，是由日本有关方面最先提出的。2004年，日本某公司生产的笔记本电池发生起火，在详细研究分析了电池起火的原因后，认为是由于在生产过程中，由于工艺控制疏漏，在锂离子电池内部混入了极微小的金属微粒，在电池使用中由于温度变化或各种撞击，金属微粒刺穿正、负极之间的隔膜，导致了电池内部短路，从而造成大量发热引发电池起火。由于在生产过程中混入金属微粒属于偶然事件，很难完全防止这种事情的发生。因此试图通过“强制内部短路试验”模拟这种金属微粒刺穿隔膜造成内部短路的情况，如果锂离子电池能保证在试验过程中不出现起火、爆炸危险，则可以有效保证即使在生产过程中电池内部混入了金属微粒，也无法刺穿正负极之间的隔膜；或者即使刺穿隔膜并造成了内部短路，仍然不会产生危及人身安全的起火、爆炸危险。

3.   单电池强制内部短路试验条件

   “单电池强制内部短路试验”的试验样品数量为10个，上、下限试验条件下各5个。其试验步骤分为：1.为试验进行的充电步骤；2.拆解电池放置小镍片；3.包卷回电池并使电池达到试验温度；4.施压步骤。

3.1 为试验进行的充电步骤

    “单电池强制内部短路试验”是对充满电的单电池进行试验，其充电条件为：分别在上限试验温度及下限试验温度下稳定1-4小时后，使用上限充电电压及最大充电电流，充电至定电压充电控制时的电流值变为0.05ItA为止。上、下限试验温度表示电池可使用上限充电电压及最大充电电流时，电芯表面的最高温度和最低温度，之所以选在上、下限试验温度条件下充电，是根据锂电池的材料特性制定出来的。JIS C 8714提出的上、下限试验温度分别是45℃和10℃，上限充电电压为4.25V，该条件是根据目前市面上比较普遍的锂离子电池（钴酸锂负极-碳正极）材料特性制定的，并不能代表所有的锂电池。JIS C 8714中提出，如果需要采用新的上、下限试验温度和上限充电电压，则需要进行一定的试验并补充资料依据。确定新上限充电电压的考察内容包括：正极材料的结构稳定性、负极材料的锂吸纳性和电解液的结构稳定性等材料特性；确定新的上、下限试验温度时的考察内容包括：正极材料的结构稳定性、电解液的结构稳定性等材料特性，需保证在新上限试验温度下的已充电电池的安全性，并且在新上限试验温度中加上5℃适用JIS C 8714 第5.1款的充电条件，且符合第5.2～5.5款的试验要求；基于负极材料的锂离子吸纳性、电解液的锂离子移动度等（与温度相应），需保证在新下限试验温度下的已充电电池的安全性，并且在新下限试验温度中加上-5℃适用5.1款的充电条件，且符合5.2～5.5款的试验要求。

3.2 拆解单电池并放置小镍片

    在周围温度20℃±5℃、结露点低于-25℃的环境下拆解单电池，并在正极活性物质与负极活性物质，以及正极铝箔和负极活性物质之间放置图1所示的小镍片。之所以选在结露点低于-25℃的环境下拆解单电池，是为了防止水汽影响电池的内部化学环境。本步骤应该尽可能快的完成，以尽可能减少拆解过程中电解液的蒸发及水汽对电池特性的影响。

                                                  图1

3.3 包卷回电池并使电池达到试验温度

    将放置完小镍片的单电池包卷好，包卷时应避免松弛，应一边拉紧一边回卷，并在镍片的放置位置做好标记，然后放入密封的聚乙烯袋中，并将封口后的聚乙烯袋装入到铝箔片制成的密封袋中，分别在上限（下限）试验温度加上（减去）5℃的条件下放置（45±15）min。此步骤是为了恢复电极体在解体前的状态，并为接下来的加压试验做准备。之所以要将包卷好的单电池放入密封袋中，主要是防止电解液的蒸发和自然环境对电池化学状态的影响，因此应选用容积尽可能小的密封袋。另外，在上限（下限）试验温度加上（减去）5℃的条件下放置（45±15）min是为了使电极体达到加压试验时的试验温度。如果拆解完电池后不能马上进行加压试验，则包卷好的单电池在铝箔密封袋中保存的时间应控制在12小时以内。

3.4 施压步骤

    在上、下限温度条件下，使用图2的加压工装，以0.1mm/s的速度对单电池放置有小镍片的部位施加压力，同时利用电压表监测单电池输出端电压的变化，当观测到有大于50mV的电压降时，或者当施加的压力达到要求（圆柱形电池800N，方形电池400N）时，即停止降低加压工具并保持30s，然后撤除压力。采用0.1mm/s如此慢的施压速度，能更好的控制内部短路的时间和严酷等级。当施压过程中出现50mV电压降时，说明放入单电池内部的小镍片已经在压力作用下刺破电池隔膜而致使单电池发生了内部短路，此时即无需再继续施加压力；如果施加压力达到800N（方形电池施压400N）时仍没有电压降出现，说明单电池的隔膜可以有效防止小镍片的刺穿，这样也能防止单电池混入金属小微粒后内部短路情况的发生。

a)  圆柱形电池的施压工装                    b) 方形电池的施压工装

图2 施压工装的外形 

3.5 试验要求

    试验要求：电池在实验过程中不起火。

4.   强制内部短路试验的注意事项及试验设备

4.1 单电池拆解过程

    试验要求在结露点低于-25℃的环境下进行，主要是为了防止单电池的化学环境发生变化，从而影响测试结果。首先的问题是如何实现露点-25℃的操作环境，比较可行的办法是在手套箱中操作。经过大量的调研，我们对真空手套箱反复的抽真空充氩气实现了这个环境。另外，电池在拆解过程中，不仅容易造成短路，而且容易引起正负极活性物质的脱落等情况，要做到拆开电池准确放置镍片的同时不发生电池短路并保持好电池原有的状态，不仅需要熟悉电池的各类结构，而且还要经过反复的操作练习。电池的结构各式各样，可以向电池制造商索要单电池结构资料。在拆解过程中，为防止短路，可以使用陶瓷质的工具或对工具的刃部进行绝缘处理，另外为防止回卷时用力不当提前造成了内部短路，可以在镍片与隔膜之间夹入厚度为25μm以下的绝缘胶片。如果在拆解过程中不小心发生了电池短路或者造成了隔膜的损伤，则此电池不得再用于接下来的试验。

4.2 小镍片放置位置

   “单电池强制内部短路试验”分别从两个位置考察内部短路：正极活性物质-负极活性物质之间；正极铝箔-负极活性物质。当正极铝箔和负极活性物质之间没有相对面时，则仅对正-负极活性物质之间放置镍片进行试验。见图3、图4。 

    a正极活性物质-负极活性物质之间            b 正极铝箔-负极活性物质之间

      图3  圆筒形单电池的镍片放置位置

    a正极活性物质-负极活性物质之间            b 正极铝箔-负极活性物质之间

    图4  方形单电池镍片放置位置

    按照上述位置镍片时会出现一些困难，比如活性物质脱落，此时则应在没有脱落的位置放置镍片；另外，有些电池结构使得在最外圈的层面上放置镍片有困能，此时可以放置在内圈的层面上，只要压力可以有效的施压在镍片上。

4.3 施压设备

“单电池强制内部短路试验”要求在10～60℃环境下进行试验，其施压速度为0.1mm/s，精度要求±0.005mm/s，最大压力1000N，另外在试验过程中还需要采集电压数据和压力数据，当电压出现50mV以上的下降时，或者当施加的压力达到要求（圆柱形电池800N，方形电池400N）时，停止加压并保持30s。这对施压设备提出了比较严格的要求，一要控制施压的速度和精度；二要保证施压压力；三要控制环境温度；四要满足电压数据和压力数据采集的频率和准确度。JIS C 8714与日本电池产业协会对施压装置的推荐规格见表1。

表1 JIS C 8714与日本电池产业协会对施压装置的规格要求

    如何在高低温环境下下保证0.1±0.01 mm/s的精确速度和1000N的压力是该试验设备能否满足试验标准的关键技术。要产生满足试验要求的速度，首先设备选材必须满足试验环境温度的使用要求，另一关键是对动力源的选择和在传动机构设计精度的控制。我们经过反复试验，研发出“914A型单电池强制内部短路试验台”，该设备选用两相步进电机作为动力源，精密滚珠丝杆和直线导轨作为传动机构，利用高识别度的压力传感器实现了高精度施压；并通过配备高精度高低温箱和数据采集系统，完全满足了施压设备的温度要求和数据采集要求。见图5、图6。

                      图5 内部短路试验台外形

5.   强制内部短路试验有效性探讨

   “单电池强制内部短路试验”的推出受到了较多的争议，首先是电池在拆解的过程中破坏其电化学环境，虽然拆解过程要求在露点低于-25℃的环境下进行，但是仍不能完全保证电池维持原有状态，再包卷回去的电芯是否能有效模拟正常电池的内部短路仍然存在一定争议，是否通过了内部短路试验就能保证电池在出现内部短路时不会出现危险呢？我们认为，这还需要进一步的试验来验证，我们经过大量试验发现，用压力达到要求（圆柱形电池800N，方形电池400N）作为试验终止条件要比用电压下降50mV作为试验终止条件要来的严酷，在施压过程中，当电压下降50mV后继续施加压力，原本没有起火的电池发生起火现象。内部短路并不会由于出现50mV压降而终止反应，因此，通过了强制内部短路试验也并不是保证锂电池在内部短路时就无危险。此外，也有人提出利用“钝刺试验”来代替“强制内部短路试验”， “钝刺试验”不需要拆解电池，不会破坏锂电池原有的化学环境，但是钝刺试验是否能完全模拟电池内部混入微粒造成的内部短路情况，也仍需要进一步讨论。其次，也有人对电池起火是由于金属微粒造成的内部短路提出质疑。是否内部短路是造成目前市面上锂电池起火爆炸危险的主要原因呢？这还有待更多的试验数据来支持。

6.   结束语

随着锂离子电池的应用越来越广泛和相关技术的不断进步，其安全性要求也越来越高。各个国家和机构、企业都在积极研究能更加准确有效地评价锂电池安全性的检测手段，只有不断研究探索锂离子电池的电化学特性和使用环境特性，才能制定出更加科学和更具有针对性和可操作性的锂离子电池的试验项目和检测条件。

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