本安设备用锂电池失效模式及典型试验分析

时间：2024-07-28

朱林,王新华,李世光,蒋漳河

(1.广州特种机电设备检测研究院,广东广州 510760;2.国家防爆设备质量监督检验中心(广东)，广东广州 510760)

0 引言

随着工业现场自动化程度的不断提高以及国家对安全生产的重视，由于石油化工等领域存在一定量的易燃易爆性气体，在使用电气设备时，其防爆性能尤其重要。近年来，锂电池技术飞速发展，为防爆产品的设计提供了更多可能性。该技术在本质安全型电气设备中得到了广泛应用[1]。锂电池作为本质安全设备中与本质安全性能有关的元件，在GB 3836.4-2010标准中，占用较多篇幅予以规定。其中一项指标不合格即会直接影响整个设备的本安性能评定。作为防爆设备检测机构，合理、全面地对电池和电池组进行本安性能检测至关重要[2]。

本文从标准入手，首先对锂电池的失效模式及故障类型进行归纳和总结,然后通过大量试验，给出锂电池无法通过标准检验的情况和解决方法，为锂电池在防爆设备内的应用提供理论基础。

1 防爆设备用锂电池分类及优缺点

目前，主流的锂电池封装形式主要有圆柱形、方形和软包三种，在防爆设备中使用较多的为圆柱形和软包两类。

圆柱形锂电池分为磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂、钴锰混合、三元材料等不同体系，外壳分为钢壳和聚合物两种。圆柱形主要以钢壳圆柱磷酸铁锂电池为主。该电池以其容量高、输出电压高、充放电循环性能良好、输出电压稳定、能大电流放电、电化学性能稳定、使用安全、工作温度范围宽、对环境友好等优点，被广泛应用于太阳能灯具、草坪灯具、后备能源、电动工具、玩具模型。一个典型的圆柱形锂电池结构包括：正极盖、安全阀、正温度系数(positive temperature coefficient，PTC)热敏电阻保护元件、电流切断机构、垫圈、正极、负极、隔离膜、壳体。

软包锂电池是为液态锂离子电池套上一层聚合物外壳。其与其他锂电池最大的不同之处在于软包装材料(铝塑复合膜)。这也是软包锂电池中技术难度较高的材料。软包装材料通常分为三层，即外阻层(一般为尼龙构成的外层保护层)、阻透层(中间层铝箔)和内层(多功能高阻隔层)。软包电池有安全性能好、质量轻、容量大、内阻小、设计灵活等优点。

2 锂电池的故障模式机理与影响分析

2.1 锂电池结构

锂电池的结构主要分为以下五个部分[3-4]。

①正极材料：电极电势较高、结构稳定、具有嵌锂能力的层状或尖晶石结构的过渡金属氧化物或聚阴离子型化合物，如钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、三元材料等。

②负极材料：电位接近锂电位、结构稳定、并可大量储锂的层状石墨、金属单质及金属氧化物，如石墨、中间相碳微球、钛酸锂等。

③电解液：溶有电解质锂盐的有机溶剂，提供锂离子，电解质锂盐有LiPF6、LiClO4、LiBF4等，有机溶剂主要由碳酸二乙酯、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、二甲酯等的其中一种或几种混合组成。

④隔膜：置于正负极之间，以防止正负极直接接触，且允许Li+离子通过的聚烯微多孔膜。如聚乙烯、聚丙烯或它们的复合膜。

⑤外壳：用于电池封装，包括铝壳、盖板、极耳、绝缘片等。

2.2 锂离子电池的故障机理与影响分析

故障模式机理与影响分析衍生于失效模式与影响分析。在失效模式与影响分析分析的基础上，故障模式机理与影响分析更加详细地定义和指出了导致故障产生的机理。因此，锂离子电池的故障模式机理与影响分析的发展基于多年来对电池可靠性的试验、结构拆解及失效分析研究[5-6]。

表1列出了影响锂电池防爆性能的故障模式及其影响。

表1 故障模式及其影响

3 本质安全设备用电池要求

3.1 锂电池的物理防护要求

锂电池应具有电解液不溢出的结构型式，或者应被密封起来，以防电解液泄漏，损坏与本质安全性能有关的元件。

因此，对电池结构有如下要求。

①密封式(气密)。

②阀控式密封。

③带有压力释放装置，其采用与①项和②项相同的密封方式。

④浇封式。

在爆炸性环境使用和更换的锂电池，必须使用限流器件保证自身安全，且与锂电池构成一个可整体替换的组件。在爆炸性环境，锂电池连接方式布局应保证在安装和更换时不降低设备的本安性能，并且整体设备在进行跌落试验后，电池不会脱落[7]。

3.2 锂电池的电气防护要求

锂电池在故障及正常运行时不能引起爆炸。带外部充电触点的锂电池，当任何一对触点可能偶然短路时，对于“ia”保护等级应采用三只二极管防止短路，对于“ib”保护等级应采用两只二极管防止短路，对于“ic”保护等级应采用一只二极管防止短路。应采用规定型号的充电器或额定值合适的熔断器、电阻，保护该二极管不被损坏[7-8]。

4 本质安全设备用锂电池试验

GB 3836.4-2010对电池的型式试验主要包括电解液泄漏试验、火花点燃和最高表面温度测试。由于本质安全设备用锂电池开路大多为4.2 V，故不需要进行火花点燃试验。但在每次试验前，电池必须通过两次完全充放电。本文通过对锂电池进行测试，分析了影响锂电池防爆测试的关键问题及解决办法。

4.1 锂电池充放电

制造厂家选用的锂电池必须有详细的说明书，介绍电池的电参数及出厂试验等内容。GB 3836.4-2010标准要求，在进行电池试验之前必须对电池进行两次充放电，并在第二次放电时检测电池的容量是否与说明书一致。如果试验数据不满足，会影响下一步电池内阻测试、电解液泄漏测试及最高表面温度测试。锂电池LG18650B4充放电参数如表2所示。

表2 LG18650B4充放电参数

4.2 电解液泄漏及最高表面温度试验

在进行锂电池电解液泄漏试验及最高表面温度测定时，均需要对电池进行短路测试。因此，在正常试验时，这两项试验可同时进行。但是进行这两项试验时，关键是判断锂电池是否装有PTC保护元件。按照标准规定，针对锂电池试验，无论是否装有PTC，均需要进行试验。以下分析该要求的目的。最高表面温度测试曲线如图1所示。

图1 最高表面温度测试曲线

从图1可以看出，装有PTC锂电池与未装PTC锂电池的最高表面温度不同，未装PTC锂电池的最高表面温度较高。当温度升高时，其本身电阻也相应增大，限制了电池的放电电流，使锂电池不能瞬间将能量全部释放，导致温度不能在短时间内急剧上升。但是未装PTC的锂电池在短路过程中会出现着火甚至爆炸等现象。

在锂电池短路过程中，记录下锂电池最高表面温度，短路后，需要进行漏液检查。将电池按照正常使用的最严酷状态放置12 h，无论是否装有PTC锂电池，均需要进行漏液检查[9]。通常认为，未装PTC的锂电池会更加难以通过试验。但根据现场的试验结果来看，装有PTC锂电池同样会出现电解液溢出现象。此时，需要对电池进行更换或要求制造商更改电池结构或参数配置。