張向倩工程師

(1.應急管理部 化學品登記中心，山東 青島 266071；2.中國石化青島安全工程研究院，山東 青島 266071)

0 引言

鋰電池產(chǎn)品因其能量密度高、循環(huán)壽命長及環(huán)境友好等特點，在消費、動力、儲能等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應用。然而，隨著其應用范圍擴大和體積能量密度提高，電池火災、爆炸等事故頻發(fā)，其安全性備受關(guān)注。為評估鋰離子電池的安全性，世界各國和相關(guān)組織致力于制定更科學、更完善的安全檢測標準，以規(guī)范鋰電池在使用、儲存和運輸?shù)冗^程中的安全。目前，國際電工委員會(IEC)、美國保險商實驗室(UL)、日本國家標準局(JIS)等發(fā)布的國際標準較為權(quán)威且應用廣泛，如UN 38.3-2017[1]、IEC 62133-2017[2]、UL 1642-2017[3]等，對各國的標準具有較強的參考借鑒意義。聯(lián)合國《關(guān)于危險貨物運輸?shù)慕ㄗh書-試驗和標準手冊》中UN 38.3-2017是使用最為廣泛的電池安全測試方法，側(cè)重于電池在運輸過程中的安全要求。美國UL 1642-2017適用于在產(chǎn)品中用作電源的一次和二次鋰電池，旨在減少產(chǎn)品使用時電池著火或爆炸的危險。歐盟標準EN 62133-2017和IEC 62133-2017測試項目一致，主要針對二次電池本身，未對電池組及系統(tǒng)保護電路提出要求。日本主要有日本國家標準局標準(JIS)和日本電池工業(yè)會標準(SBA)。我國于2015年發(fā)布實施了關(guān)于便攜式電子產(chǎn)品用鋰離子電池的首個強制標準GB 31241-2014[4]，在電安全、環(huán)境安全、保護電路以及系統(tǒng)保護電路等方面做出安全要求。

基于以上背景，本文重點研究了國內(nèi)外鋰電池安全性能檢測的相關(guān)標準，歸納分析各標準規(guī)定的測試項目異同，對鋰電池安全性分級和檢驗要求進行探討。此外，鑒于電池安全檢測過程中可能出現(xiàn)的各種極端異常情況，探討了電池檢測過程應考慮的安全因素和防護措施，為開展鋰電池安全檢測提供理論和技術(shù)支撐。

1 鋰電池安全檢測標準

1.1 鋰電池安全檢測標準

本文中所提及鋰電池包含鋰金屬(一次)電池和鋰離子(二次)電池，未涉及動力鋰電池、儲能鋰電池的安全標準研究。鋰電池安全檢測一般指按照標準/規(guī)范規(guī)定的項目及相應的測試方法進行安全測試。目前，許多國家和組織制定了鋰電池檢測的安全標準/規(guī)范，見表1。

表1中標準為目前應用較多、影響范圍較廣泛的國內(nèi)和國際標準。在歐洲，消費型鋰離子電池主要按照IEC 62133-2017和IEC 61960-2011進行測試，并要獲得CB或CE認證。在美國，消費型鋰離子電池則需獲得UL認證，該認證所依據(jù)的檢測標準采用了美國保險商實驗室制定的UL 1642-2017和UL 2054-2011。UL 1642-2017測試目的是減少鋰電池在產(chǎn)品使用時著火或爆炸的危險。不同的是，IEC 62133-2017只針對二次電池本身的安全要求，并未對電池組及系統(tǒng)保護電路提出安全要求。日本的檢測標準主要按照JIS C8714-2017進行，并要求電池獲得PSE認證。日本所執(zhí)行的標準是在國際通用安全標準的基礎上，額外增設了其他測試項目，其中最具難度和特點的是“電芯強制內(nèi)部短路”測試。

表1 國內(nèi)外常用的鋰電池安全檢測標準/規(guī)范

我國首部鋰離子電池安全國家標準GB 31241-2014參考借鑒了IEC 62133-2017、UN 38.3-2017等國際標準中的試驗方法并進行了完善，在電安全、環(huán)境安全、保護電路等方面均提出要求，旨在通過測試盡可能排除使用過程的安全風險，在國內(nèi)鋰電池行業(yè)具有重要影響力[4，9]。在我國，手機、筆記本等電子產(chǎn)品用消費型鋰離子電池需按照此標準進行第三方檢測，獲取CCC認證證書后方可銷售。

此外，在全世界范圍內(nèi)，電池運輸前需按照聯(lián)合國UN 38.3-2017進行危險品運輸安全測試，并取得空運、海運或陸運鑒定書，方可交付運輸。UN 38.3-2017旨在通過模擬電池在運輸過程中的外部環(huán)境以及機械振動，考察鋰電池在運輸中的安全[1]。

1.2 鋰離子電池的安全檢測項目

以上標準涉及眾多的檢測項目，主要為模擬預期的環(huán)境條件(如高空低壓)或可能的誤使用(如外部短路)情況下對電池安全性能進行檢測。可將項目分為電安全測試、機械安全測試和環(huán)境適應安全測試等3大類[10-11]。表2列舉了不同標準中鋰電池測試項目(注：不含鋰電池組)。

表2 鋰電池安全檢測標準測試項目對比表

注：√代表有此項目；×代表無此項目

由表2可以看出，目前常用鋰電池安全檢測標準所要求的測試項目均包含外部短路、強制放電、擠壓、沖擊、振動、熱沖擊、溫度循環(huán)等項目。但對過充、內(nèi)部短路、跌落、低氣壓、燃燒噴射等測試項目要求不同。此外，名稱相同或類似的測試項目在試驗要求和方法并不一定完全相同，例如測試前樣品的數(shù)量以及荷電狀態(tài)等[12]?？傮w而言，國內(nèi)強制標準GB 31241-2014在考查鋰離子電池的安全性能檢測中要求更高，是目前國內(nèi)外最全面的評估便攜式鋰離子電池的安全標準，對提高電池的使用和運輸安全具有重要意義，但需要注意地是，在鋰離子電池進行海運和空運時，仍要按UN 38.3要求進行測試，以保障運輸安全[11，13]。

2 鋰電池檢測的安全風險及危險分級

2.1 鋰電池檢測的潛在危險

電池安全檢測試驗過程多為模擬極端工況，由于鋰電池本身的危險性，電池檢測過程也伴隨各類安全風險[14]。例如通過針刺、過充、擠壓、高溫和短路等外界因素導致電池內(nèi)部或外部短路，此過程中電池內(nèi)部副反應增多，產(chǎn)生大量熱量，若熱量不能及時擴散，導致熱失控，進而使電池發(fā)生破裂等毀壞，并伴隨漏氣漏液、起火，甚至爆炸[15-16]。同時，電池殼體的破壞會造成電解液泄漏，內(nèi)部有機溶劑揮發(fā)性強、極易氣化，味道刺激且大部分為有毒物質(zhì)[17]。此外，電池檢測過程還存在來自振動和碰撞等試驗過程的機械沖擊、噪聲振動等危險[11，18]。

2.2 鋰電池檢測結(jié)果危險等級分級表

根據(jù)聯(lián)合國《關(guān)于危險貨物運輸?shù)慕ㄗh書—試驗和標準手冊》對危險品的分類規(guī)則，鋰電池則為第9(雜項)危險品[1]。評估鋰電池的安全等級，主要依據(jù)各種危險發(fā)生的可能性以及危險發(fā)生后的結(jié)果對各種危險現(xiàn)象進行分級[9]。鋰電池檢測的危險現(xiàn)象主要包括以下方面：是否有破裂、漏氣、漏液等情況；質(zhì)量是否損失；是否產(chǎn)生爆炸或火災等。依據(jù)檢測結(jié)果的現(xiàn)象，目前標準中主要參考EUCAR(European Council for Automotive R&D)界定汽車應用中的危險等級，對鋰電池檢測結(jié)果進行危險分級[19-20]，見表3。

表3 鋰電池檢測結(jié)果危險等級分級表[9]

通常情況下，表3中危險等級0-4被認為危害較小或危險可控。但可以看出，危險等級判斷依據(jù)缺少明確的可量化衡量的指標，例如泄漏、起火、爆炸等過于寬泛。

3 鋰電池檢測時的安全防護

鑒于電池本身及檢測過程可能伴隨的高溫、起火及爆炸等安全隱患，采取充分的安全防護，以保障檢測過程中人員和設備的安全。

3.1 樣品區(qū)

電池樣品存放區(qū)應單獨隔開，分為測試前、測試中、隔離觀察階段及測試后待處理樣品存放區(qū)等區(qū)域，設置為全封閉空間且能承受爆炸沖擊，并設立監(jiān)測預警設備及應急處置裝置，如煙霧探測器、火災報警設備、自動滅火裝備急噴淋裝置[21]。特別需要注意的是，環(huán)境溫度高或絕熱會增加電池的內(nèi)部故障而加大電池熱失控的可能性，因此，應避免電芯與高熱物體接觸，鋰電池相互間、與熱的燃燒產(chǎn)品及與氧化劑的隔離(熱間隔)是非常重要的[22]。實驗室應配備檢測人員日常的防護用品如絕緣手套、護目鏡、口罩以及應急處置所需的人員防護用品，如防爆頭盔、防爆服、防爆面罩等[23]。

3.2 試驗區(qū)

電池檢測工作，特別是擠壓、跌落及針刺實驗極易引起失火、爆炸等安全事故。因此電池檢測試驗場地須分開區(qū)域并設立隔板進行防護，須分為兩個區(qū)域，一是樣品實驗區(qū)，二是實驗控制區(qū)，同時兩區(qū)域中間應有能承受爆炸沖擊、隔斷煙霧且耐火的隔層，保障檢測人員的安全。此外，電池進行高溫試驗的設備也需進行隔離，監(jiān)測人員應離開危險區(qū)域后再進行加熱。試驗區(qū)應有煙霧排出口等，當樣品起火、爆炸時，能夠自動釋放壓力、中斷實驗、滅火、排煙等[24]。

4 結(jié)論

安全性能已成為鋰電池的重要指標，本文歸納和總結(jié)了國內(nèi)外常用的鋰電池安全檢測標準及測試項目的異同點，同時基于檢測過程的風險，提出應設立的防護措施，為生產(chǎn)企業(yè)、檢測及科研機構(gòu)提供參考。

通過研究分析發(fā)現(xiàn)，我國標準GB 31241-2014在考查鋰離子電池的安全性能檢測中要求更高，是目前國內(nèi)外最全面的評估便攜式鋰離子電池的安全標準，對提高電池的使用和運輸安全具有重要意義。但目前標準中對電池的安全風險缺乏可量化衡量的評判依據(jù)，是檢測機構(gòu)和科研工作者應重點關(guān)注的方向。