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锂离子电池常见的安全标准是什么?

2022-06-20 05:05:32

锂离子电池 (LIB) 是复杂的电化学和机械系统,是数十个国际安全标准的主题。在此常见问题解答中,我们将讨论 LIB 安全的关键环境方面,回顾锂离子电池常见的安全标准,并考虑使用定制电池测试室来保障测试人员的安全。

许多LIB的安全问题是因为这些设备对电压和温度敏感。图1展示了 Li(Ni0.5Co0.2Mn0.3)O2 (NCM) 电池的行为。在此示例中,电池指定在 -30 至 55°C 的温度范围内运行。在高于 55°C(至约 80°C)的温度下,电池表现出更好的倍率能力,这是由于更快的电化学反应和快速的离子迁移电解质和电极。在这种情况下,副反应变得严重,导致容量快速衰减。

在高于80°C的温度下,电池开始受到损坏,任何高于130°C的温度都会导致电池的组成部分熔化并可能引发火灾。


工作电压和温度是影响锂电池安全性的两个因素

图 1:工作电压和温度是影响锂电池安全性的两个因素。此示例适用于NCM单元。

低温会导致电池性能不佳并可能造成损坏,但通常不会造成安全隐患。然而,过度充电(过高的电压)会导致阴极分解和电解液氧化,这是一个安全问题。过放电(电压过低)会导致阳极上的固体电解质界面 (SEI) 分解,并可能导致铜箔氧化,进一步损坏电池。

除了与电压和温度相关的操作和环境问题外,机械损坏还可能导致LIB出现安全问题。鉴于这些担忧,LIB的安全标准也同样广泛。

锂离子电池常见的五个安全标准是:

1、IEC62133

2、UN/DOT38.3

3、IEC62619

4、UL1642

5、UL2580

IEC62133是锂离子电池和电池的安全测试标准,是测试含有碱性或非酸性电解质的二次电池和电池的安全要求。它用于测试便携式电子产品和其他应用中使用的LIB。IEC 62133 解决了可能威胁消费者和环境的化学和电气危害以及振动和冲击等机械问题。

UN/DOT38.3(也称为 T1-T8 测试和 UN ST/SG/AC.10/11/Rev. 5)涵盖所有 LIB、锂金属电池和电池的运输安全测试。测试标准包括八项测试 (T1 – T8),均侧重于特定的运输危险。UN/DOT 38.3 是一个自我认证标准,不需要独立的第三方测试,但使用第三方测试实验室是常见的,以减少发生事故时的诉讼风险。

锂电池的几个公用包装及安全运输标准(表1),如:

(1)UN3090锂金属电池,作为组件运输

(2)UN3480,LIB,作为组件运输

(3)UN3091,在设备中运输或与设备一起包装的锂金属电池

(4)UN3481,LIB在设备中运输或与设备一起包装。

锂电池的几个公用包装及安全运输标准

表1:许多类型的锂电池被认为是危险材料,在运输时需要特殊处理。(图片:UPS)

IEC62619涵盖了二次锂电池和电池组的安全标准,规定了LIB 在电子和其他工业应用中的安全应用要求。IEC62619标准测试要求适用于静止和动力应用。

固定应用包括电信、不间断电源 (UPS)、电能存储系统、公用事业开关、应急电源和类似应用。动力应用包括叉车、高尔夫球车、自动引导车辆 (AGV)、铁路和船舶——不包括公路车辆。

UL1642是锂电池安全的UL标准,规定了在电子产品中用作电源的一次和二次锂电池的标准要求。

UL1642涵盖:

(1)、技术人员可更换的锂电池,含有5.0克(0.18 盎司)或更少的金属锂。锂含量超过5.0克的电池将根据其是否符合要求(如适用)进行判断,并进行额外的测试和检查,以确定电池是否可用于其预期用途。

(2)、用户可更换的锂电池,每个电化学电池中金属锂含量不超过4.0克(0.13 盎司),金属锂含量不超过1.0 克(0.04 盎司)。超过4.0克的电池或超过1.0克锂的电池需要进一步检查和测试,以确定电池或电池是否可以用于其预期用途。

UL1642不涵盖因摄入锂电池而导致的毒性风险,或因电池损坏或切开而导致接触金属锂的风险。

UL2580x是UL电动汽车电池安全标准,由多项测试组成,包括:

大电流电池短路:在充满电的样品上运行。使用≤ 20mΩ 的总电路电阻将样品短路。火花点火检测样品中存在可燃浓度的气体,并且没有爆炸或火灾的迹象。此外,蒸汽不会通过指定的通风口或系统排放到外部。不会有外壳破裂或可观察到的电解液泄漏迹象。如果LIB 在短路测试后仍可运行,则它将按照制造商的规范进行充电和放电循环。可以对子组件而不是整个电能存储组件 (EESA) 执行短路测试。

电池挤压:在充满电的样品上运行并模拟车辆碰撞对 EESA 完整性的影响。与短路测试一样,火花点火检测样品内是否存在可燃浓度的气体,并且不会有爆炸或火灾的迹象。不会释放有毒气体。

电池单元挤压(垂直):在充满电的样品上运行。挤压试验中施加的力必须限制在电池重量的 1000 倍。与压碎测试一样,火花点火检测样品内是否存在可燃浓度的气体,并且不会有爆炸或火灾的迹象。不会释放有毒气体。

LIB测试室

安全测试 LIB 本质上是一种危险活动。由于深度放电、短路、高温和不同类型的机械滥用,很可能会发生脱气、火灾或爆炸。

已经开发了专门设计的 LIB 测试和存储室,以减轻对人员造成伤害的可能性。一个例子是一个步入式的90分钟防火室,具有内部和外部防火保护,可用作测试室或存储 LIB(图 2)。

旨在保护人员和环境的功能包括:

a、屋顶有减压表面,以在发生事故时平衡内部和外部压力。

b、用于快速抽取有害或易爆气体的高性能通风。

c、注入惰性气体以帮助控制危险反应或火灾的能力。

d、火灾传感器,用于警告发展中的火灾和集成灭火装置。

e、额外的气体传感器用于识别除气,并根据需要放置更多传感器和信号继电器的位置。

用于处理 LIB 的步入式测试和储藏室

图2:用于处理 LIB 的步入式测试和储藏室。

总之,锂离子电池中的锂金属含量意味着它们对电池供电系统的用户构成潜在危害。LIB安全隐患包括放电过深、短路、高温和机械滥用。锂离子电池有几十个国际安全标准和设计要求。本文介绍的锂离子电池五个常见的安全标准,以及指定 LIB 测试室时的一些基本注意事项。

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