第五講 鋰離子電池性能檢測(cè)

第五講鋰離子電池的性能測(cè)試主講：周國(guó)華宜春學(xué)院在鋰離子電池的的生產(chǎn)過程中,不可避免地會(huì)有質(zhì)量波動(dòng)。質(zhì)量波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致性能的不一致，應(yīng)用于同一種電子元件時(shí)，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的不同效果。因此，有必要對(duì)鋰離子電池進(jìn)行分容、出廠檢測(cè)。同時(shí)鋰離子電池存在一個(gè)非常主要的過程：化成。鋰離子電池的化成主要有兩個(gè)方面的作用：一、使電池中活性物質(zhì)借助于第1次充電轉(zhuǎn)成具有正常電化學(xué)作用的物質(zhì)；二、使電極主要是負(fù)極表面生成有效的鈍化膜（SEI膜）。

負(fù)極表面的鈍化膜（SEI膜）在鋰離子電池的化學(xué)反應(yīng)中，對(duì)于電池的穩(wěn)定扮演著相當(dāng)重要的角色。在首次充放電過程中，會(huì)有一層鈍化膜在碳負(fù)極上生成。這層膜一般稱為鈍化膜或者固體電解質(zhì)界面膜（SEI）。SEI膜一般由電解質(zhì)的分解產(chǎn)物構(gòu)成。

SEI膜對(duì)鋰離子是導(dǎo)通的而對(duì)電子是絕緣的。完善的SEI膜可以防止溶劑分子的共嵌入和負(fù)極材料表面的層狀剝離以及電解質(zhì)的進(jìn)一步分解。而且，正極材料表面也可通過陽(yáng)極氧化形成SEI膜。SEI膜的形成一方面消耗了有限的鋰離子，減小了電池的可逆容量；另一方面，也增加了電極、電解液的界面電阻，使得電極的極化增大，影響電池的大電流放電性能。但是，優(yōu)良的SEI膜具有機(jī)溶劑不溶性，允許鋰離子自由地進(jìn)出碳負(fù)極材料而溶劑分子無(wú)法穿越，能夠有效阻止有機(jī)電解液和碳負(fù)極的進(jìn)一步反應(yīng)以及溶劑分子對(duì)碳負(fù)極材料的破壞，提高了電池的循環(huán)效率和可逆容量等特性。早期電池廠的分容方式是單純地按電池放電容量進(jìn)行分選，但是由于現(xiàn)在越來(lái)越多的鋰離子電池串并聯(lián)組成電池組使用，因此還必須進(jìn)行放電曲線匹配分容。擎天電工的分容柜型號(hào)839083，該設(shè)備提供4種分容方式：①按放電容量的上下限值分容；②按電池放電期間到達(dá)某個(gè)電壓點(diǎn)時(shí)間上下限值分容；③按放電曲線到達(dá)5個(gè)特征電壓點(diǎn)時(shí)間上下限值和放電容量上下限值分容；④按放電曲線到達(dá)5個(gè)特征電壓點(diǎn)時(shí)間上下限值和按電池放電期間到達(dá)某個(gè)電壓點(diǎn)時(shí)間上下限值分容。做好一塊電池得用分容柜測(cè)出它的容量，分容柜的工作原理就是利用電池循環(huán)的充電放電來(lái)得出電池的實(shí)際容量。如：規(guī)格為1000毫安的電池，如果測(cè)出他的容量為1000毫安，就為A品；800毫安左右的為B品；600或以下更低的為C品。分容以后，A品質(zhì)量最好，價(jià)格最貴，C品反之。鋰離子電池的出廠檢驗(yàn)電池上架化成之前及下架后都需測(cè)量電池阻抗值。待測(cè)試后，此數(shù)據(jù)合并電池容量值以供電池分選之用。一般情況下，電池阻抗愈低，電池性能愈好，整體表現(xiàn)愈佳。電池的內(nèi)阻測(cè)量有兩種方式：一種是直流法測(cè)內(nèi)阻；另一種是交流法測(cè)內(nèi)阻。聯(lián)想G230G電池現(xiàn)在電池廠多采用交流法測(cè)電池內(nèi)阻，以擎天公司的內(nèi)阻測(cè)試儀BS-VR為例，該測(cè)試儀測(cè)量電池內(nèi)阻的原理就是按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)采用(1000±10%)HZ的交流電恒流加在電池兩端得到一個(gè)交流電壓值，算出電池的內(nèi)阻。電壓內(nèi)阻容量?jī)?nèi)壓自放電率循環(huán)壽命密封性能安全性能儲(chǔ)存性能外觀鋰離子電池的性能除此之外，還有過充、過放、可焊性、耐腐蝕性等鋰離子電池的性能測(cè)試可靠性測(cè)試

安全性測(cè)試

電池容量測(cè)試

電壓測(cè)試

內(nèi)阻測(cè)試

循環(huán)壽命測(cè)試

自放電率測(cè)試

溫度測(cè)試

環(huán)境測(cè)試

機(jī)械測(cè)試

熱測(cè)試

電測(cè)試

鋰離子電池的安全性測(cè)試

鋰離子電池的安全性能測(cè)試方法主要分成4類：1、電測(cè)試：過充、過放、外部短路、強(qiáng)制放電等；2、機(jī)械測(cè)試：落體、沖擊、針刺、振動(dòng)、擠壓、加速等；3、熱測(cè)試：著火、砂浴、熱板、熱沖擊、油浴等；4、環(huán)境測(cè)試：降壓、高度、浸泡、耐菌性等。自放電率測(cè)試:

選取化成后電池四組（每組2-3只），并依下列步驟充、放電。一般采用24小時(shí)自放電來(lái)快速測(cè)試其荷電保持能力,將電池以0.2C放電至3.0V,恒流恒壓1C充電至4.2V,截止電流:10mA,擱置15分鐘后,以1C放電至3.0V測(cè)其放電容量C1,再將電池恒流恒壓1C充電至4.2V,截止電流100mA,擱置24小時(shí)后測(cè)1C容量C2，C2/C1×100%應(yīng)大于99%.

內(nèi)阻測(cè)試

電池的內(nèi)阻是指電池在工作時(shí),電流流過電池內(nèi)部所受到的阻力,一般分為交流內(nèi)阻和直流內(nèi)阻,由于充電電池內(nèi)阻很小,測(cè)直流內(nèi)阻時(shí)由于電極容易極化,產(chǎn)生極化內(nèi)阻,故無(wú)法測(cè)出其真實(shí)值;而測(cè)其交流內(nèi)阻可免除極化內(nèi)阻的影響,得出真實(shí)的內(nèi)值.

交流內(nèi)阻測(cè)試方法為:利用電池等效于一個(gè)有源電阻的特點(diǎn),給電池一個(gè)1000HZ,50mA的恒定電流,對(duì)其電壓采樣整流濾波等一系列處理從而精確地測(cè)量其阻值.充電態(tài)內(nèi)阻與放電態(tài)內(nèi)阻有何不同

充電態(tài)內(nèi)阻指電池100%充滿電時(shí)的內(nèi)阻,放電態(tài)內(nèi)阻指電池充分放電后的內(nèi)阻.

一般來(lái)說,放電態(tài)內(nèi)阻不太穩(wěn)定,且偏大;充電態(tài)內(nèi)阻較小,阻值也較為穩(wěn)定.在電池的使用過程中,只有充電態(tài)內(nèi)阻具有實(shí)際意義,在電池使用的后期,由于電解液的枯竭以及內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)活性的降低,電池內(nèi)阻會(huì)有不同程度的升高.循環(huán)壽命測(cè)試

電池以0.2C放至3.0V/支后,1C恒流恒壓充電到4.2V,截止電流20mA,擱置1小時(shí)后,再以0.2C放電至3.0V(一個(gè)循環(huán))反復(fù)循環(huán)500次后容量應(yīng)在初容量的60%以上.

耐過充測(cè)試:

⑴將電池0.2C放電至3.0V

⑵用電流I任意設(shè)置10V電壓對(duì)電池充電充電時(shí)間為T=2.5×C5/I

⑶電池最終不爆炸和起火

標(biāo)準(zhǔn)荷電保持測(cè)試:

電池以0.2C放至3.0/支后,以1C恒流恒壓充電到4.2V,截止電流10mA,在溫度為20±5℃下儲(chǔ)存28天后,再以0.2C放電至2.75V計(jì)算放電容量,再與電池標(biāo)稱容量相比,應(yīng)不小于初始容量的85%.什么是電池的內(nèi)壓,電池正常內(nèi)壓一般為多少?

電池的內(nèi)壓是由于充放電過程中產(chǎn)生的氣體所形成的壓力.主要受電池材料、制造工藝、結(jié)構(gòu)、使用方法等因素影響。一般電池內(nèi)壓均維持在正常水平,在過充或過放情況下,電池內(nèi)壓有可能會(huì)升高:

例如過充電正極產(chǎn)生的氧氣透過隔膜紙與負(fù)極復(fù)合，如果負(fù)極反應(yīng)的速度低于正極反應(yīng)的速度,產(chǎn)生的氧氣來(lái)不及被消耗掉,就會(huì)造成電池內(nèi)壓升高.

內(nèi)壓測(cè)試

模擬電池在海拔高度為15240m的高空(低氣壓11.6kPa)下,檢驗(yàn)電池是否漏液或發(fā)鼓。

具體步驟:將電池1C充電恒流恒壓充電到4.2V,截止電流10mA,然后將其放在氣壓為11.6Kpa,溫度為(20±3℃)的低壓箱中儲(chǔ)存6小時(shí),電池不會(huì)爆炸,起火,裂口,漏液。

跌落測(cè)試

將電池組充滿電后從三個(gè)不同方向于1m高處跌落于硬質(zhì)橡膠板上,每個(gè)方向做2次,電池組電性能應(yīng)正常,外包裝無(wú)破損.振動(dòng)實(shí)驗(yàn):

電池以0.2C放電至3.0V后1C充電恒流恒壓充電到4.2V,截止電流10mA,擱置24小時(shí)后按下述條件振動(dòng):

振幅0.8mm

使電池在10HZ-55HZ之間振動(dòng),每分鐘以1HZ的震動(dòng)速率遞增或遞減.

振動(dòng)后電池電壓變化應(yīng)在±0.02V之間,內(nèi)阻變化在5m以內(nèi).

碰撞實(shí)驗(yàn)

電池以0.2C放電至3.0V后在20±5℃下以1C恒流恒壓充電到4.2V,截止電流10mA,安裝到碰撞測(cè)試臺(tái)上按如下條件測(cè)試:峰值加速度在100m/S2,脈沖持續(xù)時(shí)間為16ms,碰撞次數(shù)為1000±10,碰撞結(jié)束后目測(cè)電池外觀應(yīng)無(wú)異常現(xiàn)象,然后以1C恒流放電至2.75V,然后在(20±5℃)的條件下,進(jìn)行1C充放電循環(huán)直至放電容量不少于初始容量的85%,但循環(huán)次數(shù)不多于3次.

高溫高濕測(cè)試

將電池1C恒流恒壓充電到4.2V,截止電流10mA,然后放入(40±2℃),相對(duì)濕度為90%-95%的恒溫恒濕箱中擱置48h后,將電池取出在(20±5℃)的條件下擱置2h,觀測(cè)電池外觀應(yīng)該無(wú)異?，F(xiàn)象,再以1C恒流放電到2.75V,然后在(20±5℃)的條件下,進(jìn)行1C充電,1C放電循環(huán)直至放電容量不少于初始容量的85%,但循環(huán)次數(shù)不多于3次.

溫升實(shí)驗(yàn)

將電池充滿電后放進(jìn)烘箱,以每分鐘5℃的速度升高烘箱溫度,一直到烘箱溫度達(dá)150℃,并將150℃保持10分鐘,電池不應(yīng)爆炸或起火.

過充測(cè)試：

將電池用1C充滿電，按照3C過充10V進(jìn)行過充試驗(yàn)，當(dāng)電池過充時(shí)電壓上升到一定電壓時(shí)穩(wěn)定一段時(shí)間，接近一定時(shí)間時(shí)電池電壓快速上升，當(dāng)上升至一定限度時(shí)，電池高帽拉斷，電壓跌至0V，電池沒有起火、爆炸即可。

發(fā)生過充時(shí)，鋰離子在負(fù)極發(fā)生沉積，電解液發(fā)生分解等。過充后，電池的使用壽命會(huì)明顯降低。

短路測(cè)試：

將電池充滿電后用電阻不大于50mΩ的導(dǎo)線將電池正負(fù)極短路，測(cè)試電池的表面溫度變化，電池表面最高溫度為140℃，電池蓋帽拉開，電池不起火、不爆炸。

針刺測(cè)試：

將充滿電的電池放在一個(gè)平面上，用直徑3mm的鋼針沿徑向?qū)㈦姵卮檀?。測(cè)試電池不起火不爆炸即可。擠壓測(cè)試：將充滿電的電池放在一個(gè)平面上，由油壓缸施與13+1KN的擠壓力，由直徑為32mm的鋼棒平面擠壓電池，一旦擠壓壓力到達(dá)最大停止擠壓，電池不起火，不爆炸即可。

在擠壓實(shí)驗(yàn)時(shí)，隔膜受壓力發(fā)生破裂，導(dǎo)致內(nèi)部短路，產(chǎn)生大電流。

重物撞擊測(cè)試：電池充滿電后，放置在一個(gè)平面上，將直徑15.8mm的鋼柱垂直置于電池中心，將重量9.1kg的重物從610mm的高度自由落到電池上方的鋼柱上。電池不起火、不爆炸即可。

結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，鋰離子電池在便攜式電子產(chǎn)品和通訊工具中得到了廣泛的應(yīng)用，并且被逐步應(yīng)用到動(dòng)力型電源領(lǐng)域。鋰動(dòng)力電池目前最熱門的應(yīng)用是電動(dòng)汽車，許多世界著名汽車廠商都致力于開發(fā)純電動(dòng)汽車及混合動(dòng)力汽車，而大