鋰離子電池性能檢測的案例
電動汽車鋰離子電池安全性能檢測淺析
0 引言
鋰離子電池性能檢測是提高其安全性與可靠性的有效舉措。目前世界范圍內各組織均已制定或研討有效的方法標準對電池的安全性能進行檢測。2009年美國頒布的SAEJ2929:2013標準《電動和混合動力電池系統安全標準》涉及到電池組和整車級別的安全性檢測；2014年國際標準化組織（ISO）制定了標準ISO12405-3：2014《電驅動車輛-鋰離子電池動力包及系統檢測規程第3部分：安全性要求》針對電池組以及電池系統的安全性提出了要求，為汽車廠指明了可選擇的檢測項目以及檢測方法；2015年中國發布了GB/T31467.3-2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統第3部分：安全性要求與檢測方法》標準，主要圍繞電池單體以及模塊提出了檢測要求，給我國電動汽車檢測提供了方法。
作為鋰離子電池性能檢測中最重要的安全性能檢測，一直是人們關注的重點和難點，本文通過調查分析國內外標準關于過充電保護、過放電保護以及短路保護等安全性能檢測的異同點，旨在建議我國關于鋰離子電池安全性能檢測的發展趨勢，有效預防安全事故的發生，促進鋰離子電池行業的健康發展。
1 電氣安全性
1.1 過充放電
過充放電檢測是檢查過充電與過放電保護系統的功能性。該功能系統能夠實現控制充放電電流的過載從而達到保護工作狀態的電池設備免遭荷電狀態超越最大極值或者低于最低極值誘發安全事故。
電池組或者電池系統與整車級別的過充放電檢測是有差異的。GB/T31467.3-2015明確提出鋰離子動力蓄電池包和系統的過充放電保護檢測，充電與放電保護的檢測對象是工作狀態的所有檢測系統，檢測電流倍率為1C,截止條件為電池的管理系統能夠發揮應有的作用或者達到實驗的終止條件。
展開 鋰離子蓄電池 GB/T36972檢測
GB/T 36972-2018《電動自行車用鋰離子蓄電池》國家標準于2018年12月28日正式發布，將于2019年07月01日正式實施，該標準對推動電動自行車用鋰離子電池綜合標準化工作及電動自行車鋰離子電池推廣應用具有重要意義和作用，從此我國電動自行車鋰電池行業有了統一的國家標準，該標準將成為后續質檢單位行業監管及企業質量控制的重要文件。
電動自行車3C強制認證及鋰電取代鉛酸的大背景下，GB/T36972標準的發布備受市場關注。全部項目檢測需要樣品16組，分為電性能測試、安全測試、安全保護能力測試、組合外殼安全測試四大部分，標準未對電芯進行質量要求，建議后續可參照GB31241對其電芯進行測試。
電動自行車用鋰離子蓄電池與傳統的鉛酸蓄電池相比，在安全性、性價比、互換性和回收處理等方面還存在一些問題。此次工信部正式發布出臺的GB/T 36972-2018《電動自行車用鋰離子蓄電池》新的標準體系以鋰離子蓄電池為核心，主要從電芯及電池組、附件及部件和電動自行車應用等方面完善優化，以促進鋰離子電池在電動自行車市場中的應用。
此次同時發布的還有其他幾項相關標準：
1.GB/T 36943-2018《電動自行車用鋰離子蓄電池型號命名與標志要求》
2.GB/T 36945-2018《電動自行車用鋰離子蓄電池詞匯》
3.GB/T 36944-2018《電動自行車用充電器技術要求》
電動自行車用充電器是使用極為廣泛的民用品，同時它也是新能源中主要的組成部分，由于充電器質量問題，可能直接導致被充電的鉛酸或鋰離子電池損壞，甚至引起人生、財產安全事故。
展開 鋰離子蓄電池GB/T 36972檢測多少錢？
電動自行車用鋰離子蓄電池與傳統的鉛酸蓄電池相比，在安全性、性價比、互換性和回收處理等方面還存在一些問題。此次工信部正式發布出臺的GB/T 36972-2018《電動自行車用鋰離子蓄電池》新的標準體系以鋰離子蓄電池為核心，主要從電芯及電池組、附件及部件和電動自行車應用等方面完善優化，以促進鋰離子電池在電動自行車市場中的應用。
電動自行車用鋰離子蓄電池GB/T 36972-2018檢測用途：用于鋰原電池和其它原電池、以及鋰離子電池、鎳氫、鎳鎘以及鉛酸電池的外部短路試驗
適用范圍
電池短路試驗箱適用于鋰原電池和其它原電池、以及鋰離子電池（用于移動電話、筆記本電腦、攝像機等數碼電子產品）、鎳氫、鎳鎘以及鉛酸電池（用于電動工具、玩具、電動自行車等產品），按照標準GB8897.4-2002、GB/T18287-2000、IEC60086-4: 2000、IEC62133: 2002、QC/T 743-2006、UL1642: 2006、SN/T1413-2004、SN/T1414.3-2004中的有關要求，進行外部短路試驗。
試驗要求
上述標準中，對于外部短路試驗的規定要求略有不同，電池短路試驗箱滿足以下全部的試驗要求：
1.電池在（55±2）℃的環境下達到溫度平衡后，在相同溫度下經受外電路總阻值0.1Ω的短路，短路繼續至電池外殼溫度回落至（55±2）℃后，再持續1小時以上。
展開 PID光離子化傳感器在鋰電池漏液快速檢測中的應用
隨著聚合物電池工藝發展和客戶要求的不斷提高，漏液已經成為聚合物電池質量控制難點，也是產品質量核心競爭力的載體，如何防止漏液電池產生，并可能杜絕漏液電池流出到客戶端，成為各電池廠家競爭的一個重要方面。然而，針對聚合物電池的漏液問題，各廠家都沒有有效的方法檢驗，開發一種能夠判斷電池是否漏液的方法，對聚合物電池漏液檢測有實際意義。
“鋰電池”，是一類由鋰金屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質溶液的電池。1912年鋰金屬電池最早由Gilbert N. Lewis提出并研究。20世紀70年代時，M. S. Whittingham提出并開始研究鋰離子電池。由于鋰金屬的化學特性非常活潑，使得鋰金屬的加工、保存、使用，對環境要求非常高。所以，鋰電池長期沒有得到應用。隨著科學技術的發展，現在鋰電池已經成為了主流。
鋰電池大致可分為兩類：鋰金屬電池和鋰離子電池。鋰離子電池不含有金屬態的鋰，并且是可以充電的。可充電電池的第五代產品鋰金屬電池在1996年誕生，其安全性、比容量、自放電率和性能價格比均優于鋰離子電池。由于其自身的高技術要求限制，現在只有少數幾個國家的公司在生產這種鋰金屬電池。
聚合物鋰電池漏液概念
聚合物鋰離子電池鋁塑包裝殼破裂、封裝密封性差、腐蝕開裂的情況下，其內部的電解液漏出，同時外部空氣進入電池體內，引起電池鼓氣的現象，漏液被客戶定義為不符合條件類型。
鋰電池漏液檢測方法方案介紹
為了防止聚合物電池出現漏液的問題，工程技術上一方面改進封裝方法，提高封裝密封性能，另-方面改進檢驗漏液的方法，一般有以下幾種檢驗電池是否漏液的方法:
1、外觀檢查，通過100%的人工檢驗，觀察是否有電解液流出和電池外觀變形等。這種方法是傳統的方法，也是在現實中容易操作的，但依賴人員的檢出力，其防呆性能較差。這就是原有的檢測方法。
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范立云等：二次流蛇形通道鋰離子電池散熱性能
鋰離子電池作為電動汽車和電動船舶的核心部件之一，具有能量密度高、循環壽命長、自放電率低等優點。但是電池充放電過程中，由于其內部的化學反應會導致熱量的聚集，進一步引起溫度的升高。溫度的持續升高會影響電池的充放電循環壽命、安全和整體性能。研究表明，鋰電池的最佳溫度在20～40 ℃，溫差應該控制5 ℃以內。為了保證電池的工作性能，采取有效的熱管理措施尤為重要。其中液冷具有對流換熱系數大、冷卻效率高、穩定等優勢，在眾多熱管理技術中脫穎而出。
目前，液冷系統的研究主要集中在通道幾何參數、冷卻板結構和流體流動分布的優化方法。許多新結構被提出，例如仿生葉脈通道、帶斜翅片的發散通道、特斯拉閥通道等，但結構的復雜化也帶來了制造加工的困難。這些年來，蛇形流道作為一種基礎流型，結構相對簡單，被廣泛研究與應用。然而傳統蛇形流道因其多次彎曲的流道走向，通常面臨著壓降大、均溫性差等缺點。大部分研究者針對蛇形流道進行改進研究。Osman等研究了平行直通道、波浪形通道、蛇形通道的冷卻性能，結果表明在同一工況下，雖然蛇形流道的散熱能力最好，但是會產生更高的壓降，從綜合評價系數來看，波浪形通道性能更加優異。Imran等設計了一種迷宮蛇形微通道，在不同質量流量下與直通道進行了對比，研究發現在所有質量流量下，迷宮蛇形微通道的底板溫度均小于直通道，壓降均大于直通道。Deng等通過數值仿真研究了傳統蛇形通道冷板的通道數量、布局和冷卻液入口溫度對冷卻板熱性能的影響，研究表明沿著液冷板長度方向布置的5通道蛇形液冷板具有最佳的冷卻性能，但是需要消耗更多的泵功來實現。元佳宇等設計了具有單向流通結構和雙向對流結構的蛇形管路電池組熱管理系統，比較了不同質量流量下兩種結構的熱力性能，結果表明雙向流結構有效提高了電池模塊的均溫性。
展開 《ESM》：鋰離子電池正極材料快充的循環性能研究
來自美國愛達荷國家實驗室等單位的研究人員結合電化學分析、老化模型和循環后檢測，介紹了快充對正極材料循環壽命的影響。在前期循環過程中，材料老化問題較小，在隨后的循環中，當疲勞機制出現時，正極開裂和表面老化問題對整體正極容量衰減和阻抗增長產生累積和/或競爭效應，其中低倍率循環下更多由開裂主導，高倍率循環下主要由材料表面老化主導。相關論文以題為“Extendedcycle life implications of fast charging for lithium-ion battery cathode”發表在EnergyStorage Materials期刊上。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.07.001
當鋰離子電池在非快充條件下，但在其他條件（例如更高的溫度或電壓）充放電時，其機械、結構和正負極等問題已被廣泛研究，因而許多研究者開始關注快充條件下的正極材料。然而，這些研究大多是在扣式電池中進行的，研究范圍狹窄，往往不足以全面了解快充對鋰離子電池正極材料的長期影響。在快充條件下，扣式電池具有更高的阻抗，在相同操作條件下，扣式電池的極化和材料利用率明顯不同于軟包電池，因此，應該非常謹慎地以扣式電池的結果來推斷軟包電池，特別是長期老化行為。
目前關于扣式電池和全電池的快充研究，通常循環次數有限，一般認為開裂是正極老化的主要機制之一。然而，目前還沒有專門的、以正極為中心的快充研究，還不了解在什么條件下開裂成為主導，以及它是如何隨著循環而演變的。目前的文獻對長循環條件下鋰離子電池正極除開裂外的老化模式和機制沒有明確的認識，對正極方面的問題缺乏全面的了解，這使得研究人員對快充加速正極老化的程度感到困惑。
展開 巴斯夫與保時捷聯合開發用于電動汽車的高性能鋰離子電池
7月23日，巴斯夫發布消息稱，保時捷與Customcells共同成立的合資企業 Cellforce集團已選中巴斯夫作為其下一代鋰離子電池的獨家開發伙伴。
據悉，作為合作方，巴斯夫負責提供高能量HED? NCM正極活性材料，以打造高能量密度且可快速充電的高性能電池，而位于德國賓根的Cellforce集團則負責生產這種高性能電池。電池廠預計將于2024 年投產，每年不低于100MWh的初始產能可為1000輛賽車和高性能汽車提供動力。
圖片來源：巴斯夫
值得一提的是，憑借芬蘭哈爾亞瓦爾塔正極材料前軀體生產基地和德國施瓦茨海德正極活性材料生產基地，巴斯夫有望供應極具可持續性的電池材料。巴斯夫在消息中透露，Cellforce 集團電池廠的生產廢料將由位于德國的巴斯夫施瓦茨海德的電池回收試驗裝置回收以實現閉環，其中的鋰、鎳、鈷和錳將通過濕法冶金工藝回收，并重新用于生產巴斯夫正極活性材料。
巴斯夫歐洲公司執行董事會成員凱禮在發言中也提到，通過電池回收，巴斯夫能確保有價值的材料繼續循環于生產環節，并進一步減少正極材料的二氧化碳足跡，預計總量可達 60%。
保時捷公司負責研發工作的執行董事會成員Michael Steiner則表示：“從歐洲本地采購鎳、鈷材料，及其相關的安全供應和德國境內（從施瓦茨海德到巴登-符騰堡）的短途運輸路線，都是我們決定與巴斯夫合作的重要考量因素，而電池是核心要素，尤其是正極活性材料。
展開 蘇大《Adv Mater》：-80℃超低溫條件下性能優異的鋰離子電池！
g) GITT 曲線和計算出的 Li+ 在 -60°C 鋰化/脫鋰狀態下的擴散系數。
圖4. CAP或基于CCP的LIB在不同溫度下的電化學性能。a,b)CAP (a) 或 CCP (b) 的充電/放電曲線，速率為 0.1 A g-1 從 +25 到 -80°C。c) 低溫比容量和容量保持率的比較。d) 倍率性能和 e) 在 -60°C 超低溫下的循環性能的比較。f) 低溫容量與近期報道相比較。
總之，本文制備了兩種具有相同存儲位點但結晶度不同的高容量有機正極材料，并將其用作超低溫電池的正極。結果表明，晶體正極交錯致密的框架結構導致的緩慢的離子傳輸動力學和較大的電荷傳輸阻抗是導致電池在超低溫下充放電困難的主要原因。在這里，非晶化是獲得低Rct (215.7 Ω) 和快速DLi (2.1 × 10-12 cm2s-1 ) 在 -60 °C。結果，獲得的基于CAP正極的LIB在 -80°C下表現出141 mAh g-1的超高容量和相比于常溫 (+25°C) 下61.3%的高容量保持率。上述結果表明，調整有機正極材料的結晶度可以影響低溫Li+ 輸運動力學，這也是低溫電池發展的重要考慮因素。這項工作為開發低溫電池提供了一種有效的策略。（文：Navigator）
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展開 《ACS AMI》：鋰離子電池Si/C復合負極中鋰離子擴散機理的探討
首先，研究了Si/C復合材料在嵌鋰過程中的結構演變，然后研究了嵌鋰過程中鋰的體積變化和擴散速率，同時研究了不同碳層厚度對Li在Si/C復合材料中擴散的影響，揭示了碳材料增強Li在Si中擴散速率的機理。
我們發現碳層將Li在Si中的擴散速率從7.75×10?5提高至2.097×10?4cm2/s.。在簡單混合模型中，鋰離子擴散速率增加大約50%，而核殼模型中鋰離子擴散速率對碳層的原子結構有較大的依賴性。這些研究結果為Li在Si/C復合材料中的擴散行為提供了新的認識，揭示了Li在Si/C復合材料中擴散的增強機制。這種認識有助于鋰電池復合負極材料的建模，并指導相應的結構設計，以確保鋰電池的結構穩定性和高能量密度。（文：李澍）
圖1 (a) c-Si和 (b) a-C的原子結構；(c)、(d)和(e)是不同碳層厚度的Si/C復合材料（Si：紅點；C：灰點；和Li：藍點）；本研究中的兩種復合模型：（f）混合模型和（g）核殼模型（亮粒子為c-Si，暗粒子為a-C）
圖2 (a)Si/Si, (b) Si/Li和(c) Li/Li在不同嵌鋰階段的徑向分布函數；（d）c-Si和（e）a-C嵌鋰后的最終結構；在(d,e)中，粉色、灰色和藍色分別代表Si原子、C原子和Li原子
圖3 C層厚度為(a)2、(b)3和(c) 4?的Si/C復合材料（混合模型）在嵌鋰過程中不同模擬時間下的Li擴散的結構快照（粉色、灰色和藍色分別代表Si原子、C原子和Li原子）
圖4 C層厚度為(a)2、(b)3和(c) 4?的Si/C復合材料（核殼模型）在嵌鋰過程中不同模擬時間下的Li擴散的結構快照。
展開 Lyten推出下一代鋰硫電池 能量密度是傳統鋰離子電池的三倍
蓋世汽車訊 據外媒報道，領先材料公司Lyten推出LytCell EV?鋰硫電池平臺。這一電池創新針對電動汽車市場進行優化，其設計旨在提供三倍于傳統鋰離子電池的重量能量密度。
（圖片來源：Lyten公司）
該鋰硫架構基于Lyten 3D石墨烯?（Lyten 3D Graphene?），其重量能量密度有望達到900 Wh/kg，明顯超過傳統鋰離子電池和固態電池。Lyten硫磺籠?（Lyten Sulfur Caging?）是LytCell? 電池中使用的一項技術，通過阻止“多硫化物穿梭”來釋放硫的性能潛力。穿梭效應影響電池電動汽車的使用壽命，一直阻礙著鋰硫電池在電動汽車中的實際應用。根據美國國防部（DoD）測試協議，LytCell?原型設計已證明超過1400次循環。
該公司首席執行官Dan Cook表示：“LytCell EV?電池的性能、續航里程和安全性都得到了改善。通過提供最環保的電池和符合《美墨加協議》（USMCA）的供應鏈，我們相信汽車制造商將更有信心實現電氣化藍圖。”
展開 ：嵌段共聚物選擇性溶脹制備高性能、更安全的鋰離子電池隔膜
鋰離子電池以高能量密度、優異的充放電循環性能、低記憶效應等優點，在便攜式電子設備、電動汽車、大型電源和儲能設備中得到了廣泛的應用。隔膜作為鋰離子電池的重要組成部分，對鋰離子電池的性能影響顯著。隔膜可以有效絕緣正負極活性物質的直接接觸，避免短路，同時能確保電解液中離子在膜兩側自由遷移。然而，目前商業化聚烯烴隔膜由于孔隙率低、浸潤性差和吸液率低等不足，嚴重制約了鋰離子電池的進一步發展。同時，聚烯烴隔膜熱穩定性較差，在高溫下易發生收縮，導致電池短路，引發嚴重的安全問題。
南京工業大學汪勇教授課題組設計了一種由高強度、親電解液的聚砜（PSF）、親Li+的聚乙二醇（PEG）通過強共價鍵連接的嵌段共聚物（SFEG），借助前期發展的選擇性溶脹致孔方法（Acc. Chem. Res. 2016, 49, 1401-1408），制備了高性能SFEG鋰離子電池隔膜（圖1）。SFEG隔膜有效地集成了PSF和PEG的優點，賦予隔膜良好的浸潤性和熱穩定性（圖2）。同時，當溫度上升至125°C時，隔膜的多孔結構閉合，使鋰離子電池具有熱關斷能力。在室溫下，SFEG隔膜的電解液吸液率高達501%，離子電導率為10.1 mS/cm。這些關鍵性能指標均優于傳統聚丙烯隔膜（Celgard 2400）。使用SFEG隔膜組裝的鋰離子電池放電容高于Celgard 2400，并展現出優異的循環性能（圖3）。
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.》: 具有碳涂層的竹節狀SiOx/C納米管作為鋰離子電池的耐用高性能負極
這種竹子狀結構有望擴展到其他類型的儲能系統，例如全氣候電池、鋰硫電池和鈉離子電池。
鋰電池極片設計基礎、常見缺陷和對電池性能的影響
圖 2 孔隙率與鋰離子和電子電導率關系示意圖
二、極片缺陷種類及檢測
目前，在電池極片制備過程中，越來越多的在線檢測技術被采用，從而有效識別產品的制造缺陷，剔除不良品，并及時反饋給生產線，自動或者人工對生產過程做出調整，降低不良率。
極片制造中常用的在線檢測技術包括漿料特性檢測、極片質量檢測、尺寸檢測等方面，比如：（1）在線粘度計直接安裝在涂布儲料罐內實時檢測漿料的流變特性，檢測漿料的穩定性；（2）采用X射線或β射線在涂布工藝中直接測量獲得涂層的面密度，其測量精度高，但輻射大、設備價格高且維護麻煩；（3）激光在線測厚技術應用于測量極片的厚度，測量精度可達±1. 0μm，還能實時顯示測量厚度及厚度變化趨勢，便于數據追溯和分析；（4）采用CCD視覺技術檢測極片的表面缺陷，即采用線陣CCD 掃描被測物，圖像實時處理及分析缺陷類別，實現對極片表面缺陷的無損在線檢測。
在線檢測技術作為質量控制的工具，理解缺陷與電池性能之間的相關性也是必不可少的，這樣才能確定半成品合格/不合格標準。
后面部分對鋰離子電池極片表面缺陷的檢測技術新方法-紅外熱成像技術以及這些不同缺陷與電化學性能之間的關系簡單介紹。參考D. Mohanty等對此進行的深入研究。
展開 采用電池冷卻方法的鋰離子電池熱管理策略：現狀與挑戰
來源 | Journal of Energy Storage
01
背景介紹
由于全球變暖問題不斷加劇，對清潔能源替代品的需求持續增長，電動汽車電池憑借高效率、安全性和可靠性等特點，使電動汽車(EV)行業迎來了大幅增長。然而，這些電池也存在一些限制因素，盡管生產小型、安全、高性能、和可靠的電池有困難，但這也迫使電動汽車制造商在電池領域進行更多的投資。近年來，電動汽車越來越受歡迎，為人們提供更多的舒適性和節省成本。
02
成果掠影
近期，韓國嶺南大學Gyu Sang Choi和Sung Chul Kim老師團隊分析了各種電池熱管理系統(TMS-Bs)冷卻方法及其在可行性、成本和壽命方面的優缺點，討論了熱失控(TR)機制，模型和策略，以減輕TRS問題。有效的TMS-B可以減輕電池的TR，并提高其性能和壽命。總體而言，TMS-B對于維持電動汽車中使用的LBS的最佳溫度范圍至關重要。一個有效的TMS-B可以減輕TR，并提高性能和壽命，然而，需要進一步研究TMS-B的結構、工作介質、流道尺寸和液體填充能力，同時更好地理解電池、模塊和包裝如何應對快速充電情況是十分必要的。
展開 研發氟離子電池 能量密度比鋰電池高10倍
本田研究所（Honda Research Institute）科學家正與加州理工學院（Caltech）和美國宇航局噴氣推進實驗室（JPL）的研究人員合作，一起研發了一種新型電池化學物，可比現有電池中采用的材料能量密度更高、更環保。
研究團隊通過克服目前氟離子電池（FIB）技術的溫度限制，演示氟離子電池在室溫下操作的過程，為研發能夠滿足快速增長儲能需求的高能量密度電池開辟了新機會。
本田研究所首席科學家Christopher Brooks博士表示：“氟離子電池提供了一種前景廣闊的新型電池化學物質，其能量密度是目前鋰電池的十倍。與鋰離子電池不同，氟離子電池不會因過熱而造成安全風險，而且獲得氟離子電池原料所產生的環境影響遠小于提取鋰和鈷造成的環境影響。”
氟離子電池提供了一種具吸引力的替代方案，可以替代其他類型的高能量電池，例如基于鋰或金屬的氫化物化學的電池，此類電池通常受到電極固有特性的限制。由于氟的原子質量低，基于該元素的可充電電池的能量密度非常高，理論上比鋰離子電池高10倍。但是，雖然氟離子電池被認為是“下一代”高能量密度儲能設備，但是受溫度要求的限制。
目前，固態氟離子電池需要在150攝氏度以上的高溫下工作，才能使電解質具導電性。為了解決該問題，研究人員找到一種方法，使氟離子電池能夠在室溫下工作。研究人員利用溶解在有機氟化醚溶劑中的干燥的四烷基銨氟化物鹽開發出了此種電解質，當與具有銅、鑭和氟的核殼納米結構的復合陰極配對使用時，研究人員證明了室溫下可逆的電化學循環。
未來，氟離子電池可為電池驅動的電動汽車提供動力，該電池容量高的特性使其成為電力產品的理想選擇。
來源：蓋世汽車網
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