作者簡(jiǎn)介：林健，福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院電子所電池實(shí)驗(yàn)室，工程師。E-mail: 49750001@qq.com。

0   引言

當(dāng)前，隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)和科技的高速進(jìn)步，便攜式設(shè)備和智能設(shè)備的廣泛應(yīng)用逐步提高了人們的生活質(zhì)量和便捷性。大到電動(dòng)車、筆記本電腦、iPad，小到手機(jī)、手環(huán)、學(xué)生手表等，幾乎成為大部分家庭甚至每個(gè)人生活和工作不可或缺的裝備。由于具備體積小、容量大、循環(huán)使用壽命長(zhǎng)等這些優(yōu)點(diǎn)，使得鋰離子電池成為這些電子產(chǎn)品的動(dòng)力首選。市場(chǎng)上電子產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，有些廠家在利益的驅(qū)逐下鋌而走險(xiǎn)，為節(jié)約成本，使用了劣質(zhì)的鋰離子電池。這些鋰離子電池本身不帶保護(hù)電路，或者即使有保護(hù)電路，也無(wú)法起到保護(hù)功能。消費(fèi)者在不當(dāng)使用（如長(zhǎng)時(shí)間充電）或者出現(xiàn)故障（如某一保護(hù)器件失效）的情況下給設(shè)備充電，極易對(duì)鋰離子電池產(chǎn)生過(guò)充，引起電池的外殼裂紋、破裂或爆裂而導(dǎo)致化學(xué)漏液，化學(xué)漏液可能嚴(yán)重影響安全防護(hù)，而溫度過(guò)高則可能發(fā)生著火、甚至爆炸等危險(xiǎn)，進(jìn)而危及消費(fèi)者的人身及財(cái)產(chǎn)安全。針對(duì)鋰離子電池的過(guò)充電性能，GB 31241—2014標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定所有的便攜式用鋰離子電池都應(yīng)滿足6.3 條款“過(guò)充電”的試驗(yàn)要求。下面，我們就從試驗(yàn)對(duì)象、試驗(yàn)原理、試驗(yàn)方法和試驗(yàn)實(shí)例等四個(gè)方面來(lái)進(jìn)行闡述。

1   試驗(yàn)對(duì)象

過(guò)充電試驗(yàn)主要針對(duì)的是可充電鋰離子電池，對(duì)于燃料電池、鎳氫電池、鉛酸蓄電池及不可充電電池如干電池不適用。一般情況下，只有鋰離子電池組內(nèi)才有安全保護(hù)電路（見(jiàn)圖1 電池A），其他類型的電池不具備安全保護(hù)電路（見(jiàn)圖1 電池B）。鋰離子電池是一種可將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能、并可以循環(huán)充放電的電池。該電池一般含有外殼、端子、正負(fù)電極、隔膜、電解液^[1]。鋰離子電池組是一種由任意數(shù)量的鋰離子電池加保護(hù)電路板及外部材料封裝組合而成，其保護(hù)電路中可能還帶有保險(xiǎn)絲、熱敏電阻等保護(hù)器件^[1]。鋰離子電池組即傳統(tǒng)定義中的電池。本試驗(yàn)對(duì)象為圖1 中的電池B，即傳統(tǒng)定義中的電芯。鋰離子電池過(guò)充電測(cè)試應(yīng)當(dāng)使用全新設(shè)備中的電池，或者由制造廠商提供的全新電池。根據(jù)鋰離子電池廠家提供的參數(shù)，將電池用推薦放電電流放電至電池的放電截止電壓后再進(jìn)行過(guò)充電試驗(yàn)。

圖1 鋰電池A內(nèi)部有保護(hù)電路，鋰電池B無(wú)保護(hù)電路

2   試驗(yàn)原理

鋰離子電池的過(guò)充電測(cè)試在模擬電池組中的保護(hù)電路因某個(gè)元器件故障導(dǎo)致保護(hù)功能失效，或者是其保護(hù)電路本身就不帶過(guò)充保護(hù)功能的情況下非正常充電。該試驗(yàn)是為了測(cè)試鋰離子電池（即電芯，沒(méi)有保護(hù)電路）在承受過(guò)充電的過(guò)充應(yīng)力時(shí)的電池安全性能。過(guò)充電的過(guò)充應(yīng)力都施加在電芯上，實(shí)際上等于直接對(duì)電芯的耐過(guò)充電能力進(jìn)行考核。為了使試驗(yàn)時(shí)間最短，測(cè)試過(guò)程中可借用溫度記錄儀或者電池充放電設(shè)備自帶的溫度監(jiān)控探頭來(lái)監(jiān)測(cè)電池表面溫度變化。若電池持續(xù)充電的時(shí)間超過(guò)7 h 及廠家提供的充電時(shí)間中較大值^[1]，或者被測(cè)電池表面的溫度下降到比峰值低20%^[1]，即可終止試驗(yàn)。鋰離子電池受到過(guò)充電的過(guò)充應(yīng)力時(shí)，其自身應(yīng)能夠避免因過(guò)充應(yīng)力產(chǎn)生起火、爆炸等危險(xiǎn)。這種情況，對(duì)電芯的要求是比較嚴(yán)酷的，所以在研發(fā)人員在選擇電芯的時(shí)候，應(yīng)有這方面的考慮。

3   試驗(yàn)方法

1）根據(jù)鋰離子電池廠家提供的參數(shù)（廠家需提供推薦放電電流和放電截止電壓這兩個(gè)參數(shù)），將鋰離子電池用推薦放電電流放電至電池的放電截止電壓（此時(shí)可以認(rèn)為電池已放完電）。

2）然后取3 倍率額定容量（額定容量可以根據(jù)電池樣品上銘牌標(biāo)稱確定，也可由廠家提供的規(guī)格書(shū)確定）大小的電流或者用3 倍率推薦充電電流（該推薦充電電流由廠家提供）中的較大值，進(jìn)行恒流充電至其過(guò)壓充電電壓（該電壓由其正極材料決定，見(jiàn)表1，對(duì)于其他正極材料的鋰離子電池過(guò)充電電壓至少應(yīng)為4.6 V），然后用該試驗(yàn)電壓恒壓充電^[1]。

3）測(cè)試過(guò)程中將溫升記錄儀或者電池充放電設(shè)備自帶的溫度監(jiān)控探頭用溫升膠黏在被測(cè)電池表面的中心位置，用來(lái)采集監(jiān)控電池表面的溫度變化。若電池持續(xù)充電的時(shí)間超過(guò)7 h及廠家提供的充電時(shí)間中較大值[1]，或者被測(cè)電池表面的溫度下降到比峰值低20%^[1]，試驗(yàn)即可終止。如監(jiān)測(cè)到電池表面的峰值溫度為100 ℃，由于電池的保護(hù)，后面溫度降到80 ℃，雖然此時(shí)電池持續(xù)充電的時(shí)間可能很短，本試驗(yàn)便可終止。

4）電池應(yīng)不起火、不爆炸^[1]。

4   試驗(yàn)實(shí)例

我們以一個(gè)應(yīng)用在智能手機(jī)上的鋰離子電池（圖2）作為測(cè)試樣品。測(cè)試樣品的額定容量為1 800 mA·h，充電限制電壓為4.2 V，推薦充電電流為520 mA，放電截止電壓為2.8 V，電池的正極材料是鈷酸鋰，制造商未規(guī)定充電時(shí)間。根據(jù)以上信息，我們應(yīng)用3 倍率額定容量大小的電流（5.4 A）恒流充電至其過(guò)壓充電電壓（4.6 V），然后用4.6 V 的電壓恒壓充電并監(jiān)測(cè)電池溫度變化（試驗(yàn)布置見(jiàn)圖3）。

圖2 鋰電池外觀

圖3 鋰電池試驗(yàn)布置圖

經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，電池的溫度下降到峰值（46.9 ℃）的20%（37.5 ℃）（溫度曲線見(jiàn)圖4）時(shí)，此時(shí)電池放完電后已持續(xù)充電約40 min（過(guò)充電曲線見(jiàn)圖5），停止試驗(yàn)。觀察電池，發(fā)現(xiàn)電池未起火，未爆炸，按照標(biāo)準(zhǔn)要求，則可以判定該電池能滿足過(guò)充電測(cè)試要求（試驗(yàn)后電池見(jiàn)圖6）。

圖4 鋰電池過(guò)充電試驗(yàn)溫升曲線

圖5 鋰電池過(guò)充電試驗(yàn)電壓電流曲線

圖6 鋰電池過(guò)充電試驗(yàn)后外觀

5   結(jié)束語(yǔ)

鋰離子電池的過(guò)充電測(cè)試可以理解為是對(duì)電芯的耐過(guò)充電承受能力的考核。實(shí)際的電路應(yīng)用中，建議工程師在電路的設(shè)計(jì)和電芯的選型中，保護(hù)電路和電芯都能夠承受過(guò)充電測(cè)試，耐受過(guò)充電測(cè)試的過(guò)充應(yīng)力，做到雙保險(xiǎn)，最大限度保護(hù)消費(fèi)者的安全。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB31241—2014便攜式電子產(chǎn)品用鋰離子電池和電池組安全要求[S].2015.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年9月期）