锂电池检测的安全标准及安全防护研究

2020-04-24张向倩工程师

安全 2020年3期

张向倩工程师

(1.应急管理部化学品登记中心，山东青岛 266071；2.中国石化青岛安全工程研究院，山东青岛 266071)

0 引言

锂电池产品因其能量密度高、循环寿命长及环境友好等特点，在消费、动力、储能等众多领域得到了广泛的应用。然而，随着其应用范围扩大和体积能量密度提高，电池火灾、爆炸等事故频发，其安全性备受关注。为评估锂离子电池的安全性，世界各国和相关组织致力于制定更科学、更完善的安全检测标准，以规范锂电池在使用、储存和运输等过程中的安全。目前，国际电工委员会(IEC)、美国保险商实验室(UL)、日本国家标准局(JIS)等发布的国际标准较为权威且应用广泛，如UN 38.3-2017[1]、IEC 62133-2017[2]、UL 1642-2017[3]等，对各国的标准具有较强的参考借鉴意义。联合国《关于危险货物运输的建议书-试验和标准手册》中UN 38.3-2017是使用最为广泛的电池安全测试方法，侧重于电池在运输过程中的安全要求。美国UL 1642-2017适用于在产品中用作电源的一次和二次锂电池，旨在减少产品使用时电池着火或爆炸的危险。欧盟标准EN 62133-2017和IEC 62133-2017测试项目一致，主要针对二次电池本身，未对电池组及系统保护电路提出要求。日本主要有日本国家标准局标准(JIS)和日本电池工业会标准(SBA)。我国于2015年发布实施了关于便携式电子产品用锂离子电池的首个强制标准GB 31241-2014[4]，在电安全、环境安全、保护电路以及系统保护电路等方面做出安全要求。

基于以上背景，本文重点研究了国内外锂电池安全性能检测的相关标准，归纳分析各标准规定的测试项目异同，对锂电池安全性分级和检验要求进行探讨。此外，鉴于电池安全检测过程中可能出现的各种极端异常情况，探讨了电池检测过程应考虑的安全因素和防护措施，为开展锂电池安全检测提供理论和技术支撑。

1 锂电池安全检测标准

1.1 锂电池安全检测标准

本文中所提及锂电池包含锂金属(一次)电池和锂离子(二次)电池，未涉及动力锂电池、储能锂电池的安全标准研究。锂电池安全检测一般指按照标准/规范规定的项目及相应的测试方法进行安全测试。目前，许多国家和组织制定了锂电池检测的安全标准/规范，见表1。

表1中标准为目前应用较多、影响范围较广泛的国内和国际标准。在欧洲，消费型锂离子电池主要按照IEC 62133-2017和IEC 61960-2011进行测试，并要获得CB或CE认证。在美国，消费型锂离子电池则需获得UL认证，该认证所依据的检测标准采用了美国保险商实验室制定的UL 1642-2017和UL 2054-2011。UL 1642-2017测试目的是减少锂电池在产品使用时着火或爆炸的危险。不同的是，IEC 62133-2017只针对二次电池本身的安全要求，并未对电池组及系统保护电路提出安全要求。日本的检测标准主要按照JIS C8714-2017进行，并要求电池获得PSE认证。日本所执行的标准是在国际通用安全标准的基础上，额外增设了其他测试项目，其中最具难度和特点的是“电芯强制内部短路”测试。

表1 国内外常用的锂电池安全检测标准/规范

我国首部锂离子电池安全国家标准GB 31241-2014参考借鉴了IEC 62133-2017、UN 38.3-2017等国际标准中的试验方法并进行了完善，在电安全、环境安全、保护电路等方面均提出要求，旨在通过测试尽可能排除使用过程的安全风险，在国内锂电池行业具有重要影响力[4，9]。在我国，手机、笔记本等电子产品用消费型锂离子电池需按照此标准进行第三方检测，获取CCC认证证书后方可销售。

此外，在全世界范围内，电池运输前需按照联合国UN 38.3-2017进行危险品运输安全测试，并取得空运、海运或陆运鉴定书，方可交付运输。UN 38.3-2017旨在通过模拟电池在运输过程中的外部环境以及机械振动，考察锂电池在运输中的安全[1]。

1.2 锂离子电池的安全检测项目

以上标准涉及众多的检测项目，主要为模拟预期的环境条件(如高空低压)或可能的误使用(如外部短路)情况下对电池安全性能进行检测。可将项目分为电安全测试、机械安全测试和环境适应安全测试等3大类[10-11]。表2列举了不同标准中锂电池测试项目(注：不含锂电池组)。

表2 锂电池安全检测标准测试项目对比表

注：√代表有此项目；×代表无此项目

由表2可以看出，目前常用锂电池安全检测标准所要求的测试项目均包含外部短路、强制放电、挤压、冲击、振动、热冲击、温度循环等项目。但对过充、内部短路、跌落、低气压、燃烧喷射等测试项目要求不同。此外，名称相同或类似的测试项目在试验要求和方法并不一定完全相同，例如测试前样品的数量以及荷电状态等[12]。总体而言，国内强制标准GB 31241-2014在考查锂离子电池的安全性能检测中要求更高，是目前国内外最全面的评估便携式锂离子电池的安全标准，对提高电池的使用和运输安全具有重要意义，但需要注意地是，在锂离子电池进行海运和空运时，仍要按UN 38.3要求进行测试，以保障运输安全[11，13]。

2 锂电池检测的安全风险及危险分级

2.1 锂电池检测的潜在危险

电池安全检测试验过程多为模拟极端工况，由于锂电池本身的危险性，电池检测过程也伴随各类安全风险[14]。例如通过针刺、过充、挤压、高温和短路等外界因素导致电池内部或外部短路，此过程中电池内部副反应增多，产生大量热量，若热量不能及时扩散，导致热失控，进而使电池发生破裂等毁坏，并伴随漏气漏液、起火，甚至爆炸[15-16]。同时，电池壳体的破坏会造成电解液泄漏，内部有机溶剂挥发性强、极易气化，味道刺激且大部分为有毒物质[17]。此外，电池检测过程还存在来自振动和碰撞等试验过程的机械冲击、噪声振动等危险[11，18]。

2.2 锂电池检测结果危险等级分级表

根据联合国《关于危险货物运输的建议书—试验和标准手册》对危险品的分类规则，锂电池则为第9(杂项)危险品[1]。评估锂电池的安全等级，主要依据各种危险发生的可能性以及危险发生后的结果对各种危险现象进行分级[9]。锂电池检测的危险现象主要包括以下方面：是否有破裂、漏气、漏液等情况；质量是否损失；是否产生爆炸或火灾等。依据检测结果的现象，目前标准中主要参考EUCAR(European Council for Automotive R&D)界定汽车应用中的危险等级，对锂电池检测结果进行危险分级[19-20]，见表3。

表3 锂电池检测结果危险等级分级表[9]

通常情况下，表3中危险等级0-4被认为危害较小或危险可控。但可以看出，危险等级判断依据缺少明确的可量化衡量的指标，例如泄漏、起火、爆炸等过于宽泛。

3 锂电池检测时的安全防护

鉴于电池本身及检测过程可能伴随的高温、起火及爆炸等安全隐患，采取充分的安全防护，以保障检测过程中人员和设备的安全。

3.1 样品区

电池样品存放区应单独隔开，分为测试前、测试中、隔离观察阶段及测试后待处理样品存放区等区域，设置为全封闭空间且能承受爆炸冲击，并设立监测预警设备及应急处置装置，如烟雾探测器、火灾报警设备、自动灭火装备急喷淋装置[21]。特别需要注意的是，环境温度高或绝热会增加电池的内部故障而加大电池热失控的可能性，因此，应避免电芯与高热物体接触，锂电池相互间、与热的燃烧产品及与氧化剂的隔离(热间隔)是非常重要的[22]。实验室应配备检测人员日常的防护用品如绝缘手套、护目镜、口罩以及应急处置所需的人员防护用品，如防爆头盔、防爆服、防爆面罩等[23]。

3.2 试验区

电池检测工作，特别是挤压、跌落及针刺实验极易引起失火、爆炸等安全事故。因此电池检测试验场地须分开区域并设立隔板进行防护，须分为两个区域，一是样品实验区，二是实验控制区，同时两区域中间应有能承受爆炸冲击、隔断烟雾且耐火的隔层，保障检测人员的安全。此外，电池进行高温试验的设备也需进行隔离，监测人员应离开危险区域后再进行加热。试验区应有烟雾排出口等，当样品起火、爆炸时，能够自动释放压力、中断实验、灭火、排烟等[24]。