呂媛媛，田宏錦，李錦花

(1.中華人民共和國(guó)吳江海關(guān)國(guó)家動(dòng)力及儲(chǔ)能電池檢測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215200；2.中華人民共和國(guó)寧波海關(guān)技術(shù)中心，浙江 寧波 315048)

鋰離子電池在發(fā)展進(jìn)程中出現(xiàn)了一些安全問(wèn)題，導(dǎo)致起火、爆炸的危險(xiǎn)性標(biāo)簽無(wú)法摘除。為此，各國(guó)逐步推出和升級(jí)鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)，加嚴(yán)產(chǎn)品性能管控，提高準(zhǔn)入門(mén)檻[1-3]。

我國(guó)對(duì)鋰離子電池的安全管控在國(guó)際上起到舉足輕重的作用。為進(jìn)一步完善國(guó)家現(xiàn)有鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)體系，促進(jìn)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的接軌，規(guī)范鋰離子電池市場(chǎng)，2021年4月30日，國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)聯(lián)合批準(zhǔn)發(fā)布了強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 40165-2021《固定式電子設(shè)備用鋰離子電池和電池組 安全技術(shù)規(guī)范》[4]。該標(biāo)準(zhǔn)將于2022年5月1日開(kāi)始實(shí)施。

本文作者簡(jiǎn)要概述現(xiàn)有鋰離子電池強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)體系，對(duì)GB 40165-2021的適用范圍、測(cè)試項(xiàng)目、判定依據(jù)以及與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB 31241-2014《便攜式電子產(chǎn)品用鋰離子電池和電池組 安全要求》[5]的差異等進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

1 國(guó)家強(qiáng)制電池標(biāo)準(zhǔn)

目前，GB 40165-2021、GB 31241-2014和GB 38031-2020《電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力蓄電池安全要求》[6]等3項(xiàng)鋰離子電池國(guó)家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)共同構(gòu)成了鋰離子電池強(qiáng)制國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)體系。GB 40165-2021和GB 31241-2014針對(duì)各類(lèi)電子設(shè)備用鋰離子電池；GB 38031-2020針對(duì)車(chē)用電池，既包含鋰離子電池，也包含鎳氫等其他車(chē)用電池。

2 標(biāo)準(zhǔn)解讀

2.1 適用范圍

GB 40165-2021規(guī)定了固定式電子設(shè)備用鋰離子電池和電池組的適用范圍、術(shù)語(yǔ)定義、試驗(yàn)條件、安全要求和測(cè)試方法。明確指出：該標(biāo)準(zhǔn)適用于固定式電子設(shè)備用鋰離子電池和電池組，指出固定式電子設(shè)備包括固定式信息技術(shù)(IT)設(shè)備、固定式音視頻(AV)設(shè)備及類(lèi)似設(shè)備；固定式通信技術(shù)(CT)設(shè)備、固定式測(cè)量控制和實(shí)驗(yàn)室電子設(shè)備及類(lèi)似設(shè)備；不適用于不間斷電源(UPS)、應(yīng)急電源(EPS)等使用的鋰離子電池和電池組。

GB 40165-2021給出了固定式電子設(shè)備的定義，即規(guī)定不可由使用人員經(jīng)常攜帶的電子設(shè)備，包括不可攜帶使用的電子設(shè)備，超過(guò)18 kg的移動(dòng)電子設(shè)備，以及在本標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)、但不屬于GB 31241-2014規(guī)定的便攜式電子產(chǎn)品的電子設(shè)備。即將電子設(shè)備分為兩類(lèi)：便攜式可攜帶的和固定式的。若該方式無(wú)法區(qū)分，就以電子設(shè)備質(zhì)量18 kg作為區(qū)分條件。在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)UN38.3：2019《聯(lián)合國(guó)危險(xiǎn)物品運(yùn)輸試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)》第3部分38.3款[7]中，大型鋰離子電池組的質(zhì)量界限為18 kg，大型鋰離子電池單體的質(zhì)量界限為500 g。從該角度分析，GB 40165-2021與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)保持一致。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)分析

表1給出了GB 40165-2021和GB 31241-2014對(duì)電池和電池組的測(cè)試方法和技術(shù)要求。

表1 GB 40165-2021與GB 31241-2014的鋰離子電池和電池組測(cè)試方法、技術(shù)要求

從表1可知，GB 40165-2021的測(cè)試項(xiàng)目和技術(shù)要求沿襲了GB 31241-2014的測(cè)試傳統(tǒng)，參考了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 62619：2017《含堿性或其他非酸性電解質(zhì)的蓄電池和蓄電池組 工業(yè)應(yīng)用蓄電池和蓄電池組的安全性要求》[8]和UN38.3中部分項(xiàng)目的測(cè)試要求，安全性主要從預(yù)期使用、合理可預(yù)見(jiàn)誤用或?yàn)E用以及故障條件等方面考慮。

2.2.1 測(cè)試環(huán)境條件

GB 40165-2021要求測(cè)試環(huán)境溫度(20±5)℃、相對(duì)濕度不大于75%以及大氣壓力86～106 kPa，與GB 31241-2014的測(cè)試環(huán)境要求相同。

2.2.2 電池測(cè)試

GB 40165-2021電池測(cè)試分為電安全和環(huán)境安全兩類(lèi)，如表1所示，要求在進(jìn)行測(cè)試前首先進(jìn)行2次充放電預(yù)循環(huán)，同時(shí)容量達(dá)到標(biāo)稱(chēng)容量方可。電安全測(cè)試分高溫外部短路、過(guò)充電和強(qiáng)制放電，其中與GB 31241-2014不同的是，高溫外部短路阻抗要求不高于30 mΩ，阻抗降低，意味著同一只電池需承受更高的短路電流；GB 40165-2021過(guò)充電要求對(duì)滿電電池繼續(xù)充電，考察承受高電壓的能力，對(duì)電池正極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性要求較高。此外，滿電電池繼續(xù)充電，負(fù)極表面Li+過(guò)多，會(huì)堆積成結(jié)晶，導(dǎo)致電池內(nèi)部短路等。如1 mol LiCoO2正極材料中，最多只有0.55 mol Li+能夠可逆地嵌脫，而少量過(guò)充電(電壓達(dá)到4.4 V)就會(huì)威脅結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性和整體循環(huán)性能，主要原因是結(jié)構(gòu)相變、晶格失氧和電解液氧化分解。在低電壓下，LiCoO2穩(wěn)定的層狀結(jié)構(gòu)為L(zhǎng)i+提供了良好的離子傳輸通道。要滿足GB 40165-2021過(guò)充電測(cè)試的要求，正極材料應(yīng)有優(yōu)良的Li+可逆嵌脫能力，Li+傳輸通道的穩(wěn)定性受離子嵌脫的影響較小。GB 31241-2014過(guò)充電要求以3倍的推薦充電電流充電至4.6 V(LiFePO4正極為5.0 V)，考察承受大電流的能力。充電電流較大時(shí)，Li+來(lái)不及嵌入晶格，聚集于材料表面，富余的Li+獲得電子后，會(huì)在電極材料表面產(chǎn)生鋰原子結(jié)晶，導(dǎo)致各類(lèi)危險(xiǎn)。要滿足GB 31241-2014過(guò)充電測(cè)試的要求，負(fù)極材料應(yīng)具備優(yōu)良的Li+可逆嵌脫能力，將富余的Li+降低至最少，保證電極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和電安全。強(qiáng)制放電要求差異不大。

GB 40165-2021環(huán)境安全測(cè)試中的低氣壓、溫度循環(huán)、振動(dòng)、加速度沖擊、重物撞擊/擠壓等6項(xiàng)測(cè)試與GB 31241-2014一致，與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)UN38.3等也相同。GB 40165-2021的跌落測(cè)試與IEC 62619：2017一致，跌落方式與樣品的質(zhì)量有關(guān)，分為整體跌落、角跌落和邊跌落，對(duì)產(chǎn)品的要求更為嚴(yán)苛。GB 40165-2021熱濫用測(cè)試采用了國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中常規(guī)的(130±2)℃，即鋰離子電池內(nèi)部隔膜的閉合溫度，不同的是加熱時(shí)間延長(zhǎng)至1 h。

從鋰離子電池的測(cè)試要求可以看出，固定式鋰離子電池安全要求比便攜式的更嚴(yán)苛，耐高電壓的能力更強(qiáng)，對(duì)正負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求更高。

2.2.3 電池組測(cè)試

GB 40165-2021電池組測(cè)試分為環(huán)境安全和系統(tǒng)功能性安全兩類(lèi)，如表1所示，要求在測(cè)試前，先進(jìn)行2次充放電預(yù)循環(huán)。標(biāo)準(zhǔn)還指出，對(duì)于大型電池組，可選用有監(jiān)控電路的電池模板和機(jī)械固定框架進(jìn)行測(cè)試。

電池組環(huán)境安全測(cè)試為溫度循環(huán)、振動(dòng)、加速度沖擊和跌落，其中小型電池組的測(cè)試要求和判定條件與GB 31241-2014一致，大型鋰離子電池組的測(cè)試要求和判定條件與UN38.3一致；跌落測(cè)試項(xiàng)目與IEC 62619：2017一致，跌落方式與樣品的質(zhì)量有關(guān)，分為整體跌落、角跌落和邊跌落。

GB 40165-2021標(biāo)準(zhǔn)要求，固定式電子設(shè)備用鋰離子電池組系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)電池管理單元(BMU)或電池管理系統(tǒng)(BMS)，確保電池和電池組在指定范圍內(nèi)工作，以識(shí)別電池和電池組的電壓、溫度和電流的異常狀態(tài)，并進(jìn)行控制。該標(biāo)準(zhǔn)第九章過(guò)壓充電、過(guò)流充電、欠壓放電、過(guò)載、短路、反向充電、過(guò)熱以及靜電放電等測(cè)試項(xiàng)目與GB 31241-2014相應(yīng)的測(cè)試項(xiàng)目方法一致，但參數(shù)設(shè)定不同。這些功能性安全測(cè)試，除了檢驗(yàn)自身承受大電流、過(guò)電壓、低電壓、反向充電、極限環(huán)境溫度和靜電干擾的能力外，還檢驗(yàn)BMU或BMS識(shí)別并進(jìn)行執(zhí)行相關(guān)命令的能力，要求管理系統(tǒng)在鋰離子電池到達(dá)所承受的極限值之前，執(zhí)行保護(hù)命令，切斷回路。

2.3 其他測(cè)試要求

從上述測(cè)試要求可知，GB 40165-2021對(duì)于鋰離子電池和電池組，無(wú)論是從測(cè)試要求還是測(cè)試項(xiàng)目的嚴(yán)苛程度，均高于GB 31241-2014。考慮到有些固定式設(shè)備用鋰離子電池組體型較大，內(nèi)部串并聯(lián)電池芯龐大，外部管理系統(tǒng)復(fù)雜，加之所使用設(shè)備的特殊性，GB 40165-2021標(biāo)準(zhǔn)約定，某一類(lèi)電池或電池組因?yàn)楫a(chǎn)品的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、功能上的制約而明確對(duì)該產(chǎn)品的試驗(yàn)不適用時(shí)，可不進(jìn)行該試驗(yàn)。如因受產(chǎn)品設(shè)計(jì)、構(gòu)造或功能上的制約而無(wú)法對(duì)電池或電池組進(jìn)行試驗(yàn)，但又必須實(shí)施時(shí)，可連同使用該電池組的電子設(shè)備及附屬充電器或零部件，與電池或電池組一起進(jìn)行試驗(yàn)。如果電池組系統(tǒng)可拆分為小的單元，單元可代替電池組系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，制造商可對(duì)單元添加最終電池組系統(tǒng)具有的功能。

3 結(jié)論

隨著各類(lèi)正極材料在高電壓、高能量密度和高功率密度方面的發(fā)展，電子設(shè)備所用鋰離子電池的種類(lèi)越來(lái)越多，安全問(wèn)題日益突出，安全檢測(cè)難度增加。為此，各國(guó)逐步提升鋰離子電池行業(yè)準(zhǔn)入門(mén)檻，嚴(yán)苛社會(huì)監(jiān)管和國(guó)家管控。

GB 40165-2021標(biāo)準(zhǔn)的頒布，填補(bǔ)了我國(guó)在固定式電子設(shè)備用鋰離子電池安全標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域的空白。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，將有助于提升鋰離子電池行業(yè)的準(zhǔn)入門(mén)檻，打擊不合規(guī)產(chǎn)品對(duì)正規(guī)鋰離子電池產(chǎn)品市場(chǎng)的沖擊。鋰離子電池是一個(gè)能量體，標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)合格與否只是外部表觀現(xiàn)象，要想從根源解決電池安全問(wèn)題，關(guān)鍵還是要從電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)著手，優(yōu)化電池設(shè)計(jì)，增加安全防控、傳感器等，同時(shí)將安全測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和新技術(shù)相融合，以便在事故萌芽初期進(jìn)行控制。