锂离子电池安全保护性能的检测探讨

摘要：当今社会人们的环保意识越来越强，在追求资源的高利用率背景下，锂离子充电电池成为人们关注的热点方向。锂离子电池各项性能检测中安全保护性能的检测是很重的一环。本文阐述了锂离子电池的现状、安全保护性能的内涵，对于影响锂离子安全保护性能的因素做了分析，在此基础上提出了关于锂离子安全性能检测的新思路。
　　关键词：锂离子电池；安全；保护性能

　　一、锂离子电池的发展现状以及安全保护性能的内涵

　　科技的进步带来了人们生活水平的不断提高，手机成为了人们生活中的必不可少的随身物品。作为目前使用最广泛、性能最好的手机电池，锂离子电池在技术评估和价格方面有着巨大的优势。锂离子电池是用锂离子作为基本原料，是一款具有高能量密度的智能电池，它能够实现与原装的充电器简易的交换，因此能够在最短时间内充电，同时寿命周期保持较长时间，容量也能维持在一个较大的水平。
　　锂离子自身的特点也决定了它有不少劣势：（1）高能量密度在滥用时会形成热失控，大量热量在短时间内被放出，容易引起爆炸；（2）电解质体系以碳氢化合物为溶剂，在外压为4.6V时，碳氢化合物有机溶剂的氧化反应导致易燃现象，一旦溶剂出现泄漏，锂离子电池会起火，严重时带来爆炸；（3）充放电过程会引起电池正极材料化学特性的变化，引起强氧化作用，与碳氢有机溶剂接触会产生强氧化反应，产生的热量聚集，温度容易升高，由于失控而导致爆炸。
　　锂离子电池的大量使用和自身安全特性使得由于锂离子电池引起的安全事故日益增多。进出口市场因为电池质量而出现的产品召回现象不断发生。锂离子的安全检测应该具有更高的要求来保证市场上锂离子电池的质量，减少安全事故的发生。

　　二、锂离子电池安全保护性能影响因素以及评价

　　锂离子电池的安全性定义为能够抑制外界初始扰动引发的机械、热量、光能等不安全行为的能力。影响安全性的因素可以分为内部和外部两部分。

　　（一）锂离子电池安全保护性能影响因素

　　1.内部因素
　　正极材料、负极材料、电解质材料和隔膜材料都能影响到锂离子电池的安全性能。锂离子正极材料一般为嵌入化合物。高温下，正极材料可能会热分解，高压过充时锂离子从正极材料脱出，产生热量，无法排除导致热失控。负极材料容易堆积形成锂枝晶，隔膜被刺穿，易形成可燃性气体。锂离子电池使用的有机电解液容易燃烧。隔膜材料如果不稳定，存在斑点，容易被刺穿，与正极发生短路。
　　2.外部因素
　　外部因素通常是使用时出现了严重的过充电、过放电、电池局部温度过高或者电池内部短路等等情况，通常由人为操作不当而引起。人为的锂离子电池滥用会导致起火和爆炸等事故。

　　（二）锂离子电池安全保护性能影响因素评价

　　能够给锂离子电池安全性能带来影响的因素有很多，对于复杂系统的成因组合进行分析之后才能够了解如何建立关键检测技术。
　　1.影响因素分解
　　引起锂离子电池安全性能的因素由内到外可以分解为：设计制造层面和使用层面。设计制造层面包括正负极材料、电解质溶液、隔膜材料和各种包裹特性材料、各种材料之间的反应和平衡特征、内部安全保护电路设计等。使用层面分为滥用（机械压力、不正当存储等）和疲劳使用（过度循环和电解质材料遭到破坏）。
　　2.影响因素评价
　　对于锂离子事故分析可知，由于电化学特性和化学反应存在不确定性，因此只有在无法忍受存贮、运输和使用条件时，事故才容易引发。即使电池在设计或者制作流程上存在着漏洞，只要其能够耐受相关使用环境，就不会发生事故。反而，如果锂离子电池设计制作完美，合乎规范，但是“碰巧”某一块结构不均匀或者合乎标准的电池已经经过多次循环使用，就极大可能引发事故。

　　三、锂离子电池安全保护性能检测

　　（一）锂离子电池安全性能检测现状

　　目前国内外对于锂离子安全性检测的规定重点是运输安全，内容上的缺陷是没有具体量化指标，不利于潜在危险的检测。近几年由于发生了电池召回事件，国内外的研究关于更加科学高效检测锂离子安全性能的手段在不断取得进步，尤其是对于热效应和温度的研究在不断深入，检测充放电过程中的热量和热传导系数，建立电化学和热效应理论模型，通过模拟温度来描述电池的热行为。

　　（二）安全性能的检测进展以及新的检测思路

　　现行的关于锂离子安全性能检测规定是《蜂窝电话用锂离子电池总规范》，该规范通过检测过充电保护、过放电保护和短路保护三项指标来判断安全保护性能。
　　辐射理论的研究和数字信号技术的发展使得红外探测技术成为发展最为迅猛的非接触测温法之一。利用红外热像仪测量锂离子产品内部的温度情况，把表面温度用图像的形式展示出来，再结合电性能测试，对于热像图中有异常温度变化的部位做出直观的检测和判断。电池程控测试仪连接电脑和电池，动态采集充放电电流、电容等参数。
　　基于Newman模型的锂离子电池建模和仿真技术从锂离子电池热效应的角度建立电池在一维充放电过程中的电化学、质量守恒和电荷守恒模型，分解锂离子充放电过程中产生的热源，测得不同热源在不同充放电速率下的大小值并进行比较，从理论上搭建充放电模型，研究成熟之后再推广至三维锂离子电池充放电过程，模拟出三维情况下的温度分布。与此同时，根据锂离子电池内部成分在高温下的化学反应发热公式，研究锂离子电池在滥用情况下的模型，建立滥用时的热学模型，对于发热过程进行三维仿真，探究锂离子在过充电情况下的安全性能。

　　四、结语

　　锂离子电池的广泛使用使得其安全性检测越来越重要。影响锂离子电池安全性能检测的因素可以分为内部和外部因素。在传统的检测方法基础上，可以利用红外探测技术和基于Newman模型的方法等新技术来检测锂离子电池的隐蔽安全隐患。
　　参考文献：
　　[1]杨福贺.锂离子电池安全性检测实验平台的设计与实现[D].电子科技大学，2013.
　　[2]王青松，孙金华，何理.锂离子电池安全性特点及热模型研究[J].中国安全生产科学技术，2005，03：19-21.