電池強制內(nèi)部短路試驗機  JD-6003Q
一、產(chǎn)品概述：
電池強制內(nèi)部短路試驗機是模擬電池在一定環(huán)境溫度條件下進行強制內(nèi)部短路測試，測試箱為不銹鋼材質(zhì)，溫度均勻性好，具有排風(fēng)功能（即試驗完成后排放測試廢氣）。試驗機的控制系統(tǒng)為PLC觸摸屏菜單式操作，采集數(shù)據(jù)頻率可達(dá)100次/秒，同時通過PLC編程設(shè)定試驗壓力，壓力保持時間，實測壓力，電池電壓，電池溫度，壓降速度等。
二、滿足標(biāo)準(zhǔn)：
JISC8714：2007 便攜式電子應(yīng)用中使用的便攜式鋰離子二次電池和電池的安全測試
IEC 62133便攜式含有堿性或其他非酸性電解質(zhì)的可充電二次電池和蓄電池的安全標(biāo)準(zhǔn)  
三、試驗?zāi)康模?/strong>
電池在生產(chǎn)過程中，由于工藝控制疏漏，在鋰離子電池內(nèi)部混入了極微小的金屬微粒，在電池使用中由于溫度變化或各種撞擊，金屬微粒刺穿正、負(fù)極之間的隔膜，導(dǎo)致電池內(nèi)部短路，從而造成大量發(fā)熱引發(fā)電池起火。由于在生產(chǎn)過程中混入金屬微粒屬于偶然事件，很難防止這種事情的發(fā)生。因此通過“強制內(nèi)部短路試驗”模擬這種金屬微粒刺穿隔膜造成內(nèi)部短路的情況，如果鋰離子電池能保證在試驗過程中不出現(xiàn)起火、爆炸危險，則可以有效保證即使在生產(chǎn)過程中電池內(nèi)部混入了金屬微粒，也無法刺穿正負(fù)極之間的隔膜；或者即使刺穿隔膜并造成了內(nèi)部短路，仍然不會產(chǎn)生危及人身安全的起火、爆炸危險。
四、單電池強制內(nèi)部短路試驗條件
“單電池強制內(nèi)部短路試驗”的試驗樣品數(shù)量為10個，上、下限試驗條件下各5個。
其試驗步驟分為：
1.為試驗進行的充電步驟；
2.拆解電池放置小鎳片；
3.包卷回電池并使電池達(dá)到試驗溫度；
4.施壓步驟。
具體步驟：
1. 為試驗進行的充電步驟
     “單電池強制內(nèi)部短路試驗”是對充滿電的單電池進行試驗，其充電條件為：分別在上限試驗溫度及下限試驗溫度下穩(wěn)定1-4小時后，使用上限充電電壓及充電電流，充電至定電壓充電控制時的電流值變?yōu)?.05ItA為止。上、下限試驗溫度表示電池可使用上限充電電壓及充電電流時，電芯表面的溫度和溫度，之所以選在上、下限試驗溫度條件下充電，是根據(jù)鋰電池的材料特性制定出來的。JIS C 8714提出的上、下限試驗溫度分別是45℃和10℃，上限充電電壓為4.25V，該條件是根據(jù)目前市面上比較普遍的鋰離子電池（鈷酸鋰負(fù)極-碳正極）材料特性制定的，并不能代表所有的鋰電池。JIS C 8714中提出，如果需要采用新的上、下限試驗溫度和上限充電電壓，則需要進行一定的試驗并補充資料依據(jù)。確定新上限充電電壓的考察內(nèi)容包括：正極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、負(fù)極材料的鋰吸納性和電解液的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等材料特性；確定新的上、下限試驗溫度時的考察內(nèi)容包括：正極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、電解液的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等材料特性，需保證在新上限試驗溫度下的已充電電池的安全性，并且在新上限試驗溫度中加上5℃適用JIS C 8714 第5.1款的充電條件，且符合第5.2～5.5款的試驗要求；基于負(fù)極材料的鋰離子吸納性、電解液的鋰離子移動度等（與溫度相應(yīng)），需保證在新下限試驗溫度下的已充電電池的安全性，并且在新下限試驗溫度中加上-5℃適用5.1款的充電條件，且符合5.2～5.5款的試驗要求。
2. 拆解單電池并放置小鎳片
   在周圍溫度20℃±5℃、結(jié)露點低于-25℃的環(huán)境下拆解單電池，并在正極活性物質(zhì)與負(fù)極活性物質(zhì)，以及正極鋁箔和負(fù)極活性物質(zhì)之間放置圖1所示的小鎳片。之所以選在結(jié)露點低于-25℃的環(huán)境下拆解單電池，是為了防止水汽影響電池的內(nèi)部化學(xué)環(huán)境。本步驟應(yīng)該盡可能快的完成，以盡可能減少拆解過程中電解液的蒸發(fā)及水汽對電池特性的影響。
                                    
                           
                                                            圖1
3. 包卷回電池并使電池達(dá)到試驗溫度
       將放置完小鎳片的單電池包卷好，包卷時應(yīng)避免松弛，應(yīng)一邊拉緊一邊回卷，并在鎳片的放置位置做好標(biāo)記，然后放入密封的聚乙烯袋中，并將封口后的聚乙烯袋裝入到鋁箔片制成的密封袋中，分別在上限（下限）試驗溫度加上（減去）5℃的條件下放置（45±15）min。此步驟是為了恢復(fù)電極體在解體前的狀態(tài)，并為接下來的加壓試驗做準(zhǔn)備。之所以要將包卷好的單電池放入密封袋中，主要是防止電解液的蒸發(fā)和自然環(huán)境對電池化學(xué)狀態(tài)的影響，因此應(yīng)選用容積盡可能小的密封袋。另外，在上限（下限）試驗溫度加上（減去）5℃的條件下放置（45±15）min是為了使電極體達(dá)到加壓試驗時的試驗溫度。如果拆解完電池后不能馬上進行加壓試驗，則包卷好的單電池在鋁箔密封袋中保存的時間應(yīng)控制在12小時以內(nèi)。
4.施壓步驟
   在上、下限溫度條件下，使用圖2的加壓工裝，以0.1mm/s的速度對單電池放置有小鎳片的部位施加壓力，同時利用電壓表監(jiān)測單電池輸出端電壓的變化，當(dāng)觀測到有大于50mV的電壓降時，或者當(dāng)施加的壓力達(dá)到要求（圓柱形電池800N，方形電池400N）時，即停止降低加壓工具并保持30s，然后撤除壓力。采用0.1mm/s如此慢的施壓速度，能更好的控制內(nèi)部短路的時間和嚴(yán)酷等級。當(dāng)施壓過程中出現(xiàn)50mV電壓降時，說明放入單電池內(nèi)部的小鎳片已經(jīng)在壓力作用下刺破電池隔膜而致使單電池發(fā)生了內(nèi)部短路，此時即無需再繼續(xù)施加壓力；如果施加壓力達(dá)到800N（方形電池施壓400N）時仍沒有電壓降出現(xiàn)，說明單電池的隔膜可以有效防止小鎳片的刺穿，這樣也能防止單電池混入金屬小微粒后內(nèi)部短路情況的發(fā)生。

                    a)  圓柱形電池的施壓工裝                                  b) 方形電池的施壓工裝
圖2 施壓工裝的外形
  試驗要求：電池在實驗過程中不起火。強制內(nèi)部短路試驗的注意事項及試驗設(shè)備
五、設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)：      

 
六、強制內(nèi)部短路測試前單電池拆解過程介紹：
  試驗要求在結(jié)露點低于-25℃的環(huán)境下進行，主要是為了防止單電池的化學(xué)環(huán)境發(fā)生變化，從而影響測試結(jié)果。首先的問題是如何實現(xiàn)露點-25℃的操作環(huán)境，比較可行的辦法是在手套箱中操作。經(jīng)過大量的調(diào)研，我們對真空手套箱反復(fù)的抽真空充氬氣實現(xiàn)了這個環(huán)境。另外，電池在拆解過程中，不僅容易造成短路，而且容易引起正負(fù)極活性物質(zhì)的脫落等情況，要做到拆開電池準(zhǔn)確放置鎳片的同時不發(fā)生電池短路并保持好電池原有的狀態(tài)，不僅需要熟悉電池的各類結(jié)構(gòu)，而且還要經(jīng)過反復(fù)的操作練習(xí)。電池的結(jié)構(gòu)各式各樣，可以向電池制造商索要單電池結(jié)構(gòu)資料。在拆解過程中，為防止短路，可以使用陶瓷質(zhì)的工具或?qū)ぞ叩娜胁窟M行絕緣處理，另外為防止回卷時用力不當(dāng)提前造成了內(nèi)部短路，可以在鎳片與隔膜之間夾入厚度為25μm以下的絕緣膠片。如果在拆解過程中不小心發(fā)生了電池短路或者造成了隔膜的損傷，則此電池不得再用于接下來的試驗。
1. 小鎳片放置位置
   “單電池強制內(nèi)部短路試驗”分別從兩個位置考察內(nèi)部短路：正極活性物質(zhì)-負(fù)極活性物質(zhì)之間；正極鋁箔-負(fù)極活性物質(zhì)。當(dāng)正極鋁箔和負(fù)極活性物質(zhì)之間沒有相對面時，則僅對正-負(fù)極活性物質(zhì)之間放置鎳片進行試驗。見圖3、圖4。 
 

                           a正極活性物質(zhì)-負(fù)極活性物質(zhì)之間                           b 正極鋁箔-負(fù)極活性物質(zhì)之間
      圖3  圓筒形單電池的鎳片放置位置
 
            
                           a正極活性物質(zhì)-負(fù)極活性物質(zhì)之間                                b 正極鋁箔-負(fù)極活性物質(zhì)之間
    圖4  方形單電池鎳片放置位置
   
   按照上述位置鎳片時會出現(xiàn)一些困難，比如活性物質(zhì)脫落，此時則應(yīng)在沒有脫落的位置放
置鎳片；另外，有些電池結(jié)構(gòu)使得在最外圈的層面上放置鎳片有困能，此時可以放置在內(nèi)
圈的層面上，只要壓力可以有效的施壓在鎳片上。
 
2. 施壓設(shè)備
“單電池強制內(nèi)部短路試驗”要求在10～60℃環(huán)境下進行試驗，其施壓速度為0.1mm/s，
精度要求±0.005mm/s，壓力1000N，另外在試驗過程中還需要采集電壓數(shù)據(jù)和壓力數(shù)
據(jù)，當(dāng)電壓出現(xiàn)50mV以上的下降時，或者當(dāng)施加的壓力達(dá)到要求（圓柱形電池800N，方
形電池400N）時，停止加壓并保持30s。這對施壓設(shè)備提出了比較嚴(yán)格的要求，一要控制
施壓的速度和精度；二要保證施壓壓力；三要控制環(huán)境溫度；四要滿足電壓數(shù)據(jù)和壓力數(shù)
據(jù)采集的頻率和準(zhǔn)確度。JIS C 8714與日本電池產(chǎn)業(yè)協(xié)會對施壓裝置的推薦規(guī)格見表1。
 

項目	JIS C 8714要求	日本電池產(chǎn)業(yè)協(xié)會推薦要求
驅(qū)動速度	0.1 mm/s	0.1±0.01 mm/s
停止后的位置變化	－	±0.02 mm
加壓能力	圓柱形：800N　MAX	1000N以上
	方形：400N　MAX
加壓力測定方法	－	直接測定
加壓力測定周期	－	5 ms 以下
電壓測定周期	10 ms以下	5 ms以下
50mV電壓降檢出后	－	100 ms以下

   表1 JIS C 8714與日本電池產(chǎn)業(yè)協(xié)會對施壓裝置的規(guī)格要求