动力NEC锂电池针刺测试分析

摘要：此文中，详细地对国标规定的测试方法予以了描述，同时也阐述了对待测电池、测试器具的要求，借助对国家标准由来展开分析，并且对比国外的参考标准，从而明确了针刺测试的目的；经由对测试方法进行剖析，又对比同类型测试标准，从材料体系以及结构设计这两方面入手，分析各主要材料以及结构设计给测试通过造成的影响，以此为提高测试通过率提供改善思路。

关键词：针刺试验；测试标准；通过率；强制内部短路

1.针刺试验是测试电池的什么性能

把针刺用于二次（可重复充电）电池，这种电池有单芯的，还有两个或两个以上多芯串/并联结构组成的电池组。针刺该电池的目的在于强制其出现内短路，这属于安规测试，是在模拟突发状况下出现的那种极端表现，它可作为衡量产品安全性能的一项指标，此项指标要求电池不起火不爆炸。其最终目的是降低锂电池用于产品时着火或爆炸的风险，好让这些电池能符合所应用完整产品应该满足的要求。

1.1GB测试方法。

GB/T31485 - 2015《电动汽车用动力蓄电池安全及试验方法》有这样的规定：单体蓄电池依照标准方法进行充电，使用φ5mm至φ8mm的耐高温钢针，该钢针针尖的圆锥角度为45°至60°，针的表面光洁，没有锈蚀、氧化层以及油污，以（25±5）mm/s的速度，从垂直于蓄电池极板的方向进行贯穿，贯穿位置适宜靠近所刺面的几何中心，钢针停留在蓄电池中，然后观察1h。

1.2GB标准由来。

国外用于动力电池针刺的标准，主要源自SAEJ2464《ElectricVehicleBatteryAbuseTesting》以及UL - 2580(参考电池安全测试(一))，这两个标准之中，均存在针刺测试的相关要求。FreedomCAR虽说并非标准法规，不过作为较为流行的测试参考方法，被广泛加以引用。依据上述标准的相关内容来分析，我国标准主要是对美国汽车工程师学会标准予以引用，从而做到与国外保持一致，在保证测试标准具备先进性的同时，确保与世界实现接轨。

1.3GB标准变更。

不久前，工信部公布了三项强制标准征求意见稿的通告，其中一项关乎GB《电动汽车用锂离子动力蓄电池safety requirements》，在该意见稿当中，除了取消模块级别的全部测试，针刺的要求也出现了较大变动。单体电池的要求，过放、过充、短路、加热、温度循环、挤压，总共五项安全测试，与GB/T31485 - 2015的10项测试要求相较，减少了4项。其中，单体电池的针刺要求在GB里也被取消了。

1.4如何提高通过率。

在锂离子电池安全试验里，针刺实验常常是最使人头疼的，整个电池的能量会经由这个短路点在短时间中释放，最多会有70%的能量在60s内被释放，这会致使短路点的温度在短时间内迅速上升，进而引发连锁反应，从而导致热失控。

1.4.1材料体系

1、隔膜。

锂离子电池里，隔膜主要用来分隔电池正负极，避免两极接触而出现短路情况。对于电池能不能通过针刺项目，隔膜的闭孔温度以及破膜温度有着决定性作用，我们需尽力控制电池隔膜保留着较低的闭孔温度以及较高的破膜温度。发展PE和PP的复合膜，还有陶瓷隔膜，这些都是隔膜发展的趋势跟方向。

2、电解液。

锂离子电池所使用的电解液，是导电锂盐与有机溶剂的组合物体，这些有机溶剂的闪点全都比较低水平，这致使锂离子电池当中的电解液，身处接触空气之后并受热的状况里极易燃烧起来，阻燃添加剂的添加能够提升电池自身的稳定性以及安全性这两方面，它是一种提高针刺通过率的有效办法举措。当前研究最深且使用最广的是有机磷系阻燃添加剂。

3、导电剂与黏结剂。

针刺产生短路状况之后，导电剂、黏结剂同电解液之间的反应变得异常剧烈，进而释放出数量众多的热量，当下采纳DSC这种方法，依据分解所起始的温度以及反应热来去挑选导电剂与黏结剂的类型，将高温产热予以减少是一种具备有效性的方法。

1.4.2结构设计。

制造电池之时，能够思索适度增添正负极相互之间的间隙，以此提升隔膜的延展性能，与此同时，于电池顶端的盖板之上增添防爆阀，用以避免爆炸以及防止电解液出现大量泄漏的状况，进而提升电池通过针刺的可能性。

1.4.3测试钢针的影响。

会致使众多电池单元出现短路状况的针刺实验，其短路的电池单元数量跟针刺所穿过的电池极片数量存在关系。当仅有两片电极出现短路的情况下，不但该电池单元会出现短路，更为严峻的是，与之并联的其他电池单元也会经由该短路点出现短路，这意味着整个电池的电量都会经由该短路点，进而产生大量的热量。依照锂离子电池的此一结构特性来看，于一定范围之内，电池容量越大，短路点越小，那么产生的后果便越严重，即是说，在针刺实验里，采用的针直径越小，针刺速度越慢，热失控的风险也就越大。

2.其它内部短路测试方法

为了去模拟，在电芯制造过程里，有可能会进入的，诸如金属粉尘、碎料颗粒等之类的杂质，在正负极之间，刺穿隔膜从而造成内部短路时，所存在的潜在危险程度，JISC8714标准给出了明确的测试方法。

把已充电的电池电极体，置于周围温度在20℃上下浮动5℃，露点低于-25℃的环境里进行分解，从电池外壳取出后，将小镍片（高0.2mm且宽0.1mm，四边为1mm的L字形）insert，插入到正极活物质与负极活物质之间。插入了之后，返回到插入之前的电极体配置关系时，insert进电解液蒸汽无法透气的柔软袋子里，封起开口的部分。从开始分解到封起开口部分要在30分钟以内。在最高测试温度以及最低测试温度的条件下，把单电池的电极体袋子存放45±15min，接着将卷芯从袋子当中取出，随后立刻把压力装置接触卷芯，使用加压治具，开始针对电极体小镍片插入部的中心外加压力。以0.1mm/s的速度使加压治具下降，对于单电池电极体的电压随时进行测定（电压测定间隔为100point/s以上），一直加压直至短路（当检测出比初期电压下降50mV以上时，此情况即为短路）。当看到短路时，停止下降加压治具，30秒之后放开加压。无法看到处于短路情形下时的施加压力的上限额度，呈圆柱形的其施加压力上限是800N，呈角形的施加压力上限是400N，当各自所对应的施加压力达到相应数值时，放开施加压力的操作，判定的标准是不会起火。

内部短路测试项目，是被强制纳入的，这一项目是JISC8714标准所特有的，在其它锂电池标准当中，都不存在这样的项目。该项目对于测试环境，有着比较高的要求，对于测试操作要求，同样比较高，并且，对电芯的设计要求，也是比较高的。