第五讲 锂离子电池性能检测

第五讲锂离子电池的性能测试主讲：周国华宜春学院在锂离子电池的的生产过程中,不可避免地会有质量波动。质量波动会导致性能的不一致，应用于同一种电子元件时，有时会产生明显的不同效果。因此，有必要对锂离子电池进行分容、出厂检测。同时锂离子电池存在一个非常主要的过程：化成。锂离子电池的化成主要有两个方面的作用：一、使电池中活性物质借助于第1次充电转成具有正常电化学作用的物质；二、使电极主要是负极表面生成有效的钝化膜（SEI膜）。

负极表面的钝化膜（SEI膜）在锂离子电池的化学反应中，对于电池的稳定扮演着相当重要的角色。在首次充放电过程中，会有一层钝化膜在碳负极上生成。这层膜一般称为钝化膜或者固体电解质界面膜（SEI）。SEI膜一般由电解质的分解产物构成。

SEI膜对锂离子是导通的而对电子是绝缘的。完善的SEI膜可以防止溶剂分子的共嵌入和负极材料表面的层状剥离以及电解质的进一步分解。而且，正极材料表面也可通过阳极氧化形成SEI膜。SEI膜的形成一方面消耗了有限的锂离子，减小了电池的可逆容量；另一方面，也增加了电极、电解液的界面电阻，使得电极的极化增大，影响电池的大电流放电性能。但是，优良的SEI膜具有机溶剂不溶性，允许锂离子自由地进出碳负极材料而溶剂分子无法穿越，能够有效阻止有机电解液和碳负极的进一步反应以及溶剂分子对碳负极材料的破坏，提高了电池的循环效率和可逆容量等特性。早期电池厂的分容方式是单纯地按电池放电容量进行分选，但是由于现在越来越多的锂离子电池串并联组成电池组使用，因此还必须进行放电曲线匹配分容。擎天电工的分容柜型号839083，该设备提供4种分容方式：①按放电容量的上下限值分容；②按电池放电期间到达某个电压点时间上下限值分容；③按放电曲线到达5个特征电压点时间上下限值和放电容量上下限值分容；④按放电曲线到达5个特征电压点时间上下限值和按电池放电期间到达某个电压点时间上下限值分容。做好一块电池得用分容柜测出它的容量，分容柜的工作原理就是利用电池循环的充电放电来得出电池的实际容量。如：规格为1000毫安的电池，如果测出他的容量为1000毫安，就为A品；800毫安左右的为B品；600或以下更低的为C品。分容以后，A品质量最好，价格最贵，C品反之。锂离子电池的出厂检验电池上架化成之前及下架后都需测量电池阻抗值。待测试后，此数据合并电池容量值以供电池分选之用。一般情况下，电池阻抗愈低，电池性能愈好，整体表现愈佳。电池的内阻测量有两种方式：一种是直流法测内阻；另一种是交流法测内阻。联想G230G电池现在电池厂多采用交流法测电池内阻，以擎天公司的内阻测试仪BS-VR为例，该测试仪测量电池内阻的原理就是按照国际标准采用(1000±10%)HZ的交流电恒流加在电池两端得到一个交流电压值，算出电池的内阻。电压内阻容量内压自放电率循环寿命密封性能安全性能储存性能外观锂离子电池的性能除此之外，还有过充、过放、可焊性、耐腐蚀性等锂离子电池的性能测试可靠性测试

安全性测试

电池容量测试

电压测试

内阻测试

循环寿命测试

自放电率测试

温度测试

环境测试

机械测试

热测试

电测试

锂离子电池的安全性测试

锂离子电池的安全性能测试方法主要分成4类：1、电测试：过充、过放、外部短路、强制放电等；2、机械测试：落体、冲击、针刺、振动、挤压、加速等；3、热测试：着火、砂浴、热板、热冲击、油浴等；4、环境测试：降压、高度、浸泡、耐菌性等。自放电率测试:

选取化成后电池四组（每组2-3只），并依下列步骤充、放电。一般采用24小时自放电来快速测试其荷电保持能力,将电池以0.2C放电至3.0V,恒流恒压1C充电至4.2V,截止电流:10mA,搁置15分钟后,以1C放电至3.0V测其放电容量C1,再将电池恒流恒压1C充电至4.2V,截止电流100mA,搁置24小时后测1C容量C2，C2/C1×100%应大于99%.

内阻测试

电池的内阻是指电池在工作时,电流流过电池内部所受到的阻力,一般分为交流内阻和直流内阻,由于充电电池内阻很小,测直流内阻时由于电极容易极化,产生极化内阻,故无法测出其真实值;而测其交流内阻可免除极化内阻的影响,得出真实的内值.

交流内阻测试方法为:利用电池等效于一个有源电阻的特点,给电池一个1000HZ,50mA的恒定电流,对其电压采样整流滤波等一系列处理从而精确地测量其阻值.充电态内阻与放电态内阻有何不同

充电态内阻指电池100%充满电时的内阻,放电态内阻指电池充分放电后的内阻.

一般来说,放电态内阻不太稳定,且偏大;充电态内阻较小,阻值也较为稳定.在电池的使用过程中,只有充电态内阻具有实际意义,在电池使用的后期,由于电解液的枯竭以及内部化学物质活性的降低,电池内阻会有不同程度的升高.循环寿命测试

电池以0.2C放至3.0V/支后,1C恒流恒压充电到4.2V,截止电流20mA,搁置1小时后,再以0.2C放电至3.0V(一个循环)反复循环500次后容量应在初容量的60%以上.

耐过充测试:

⑴将电池0.2C放电至3.0V

⑵用电流I任意设置10V电压对电池充电充电时间为T=2.5×C5/I

⑶电池最终不爆炸和起火

标准荷电保持测试:

电池以0.2C放至3.0/支后,以1C恒流恒压充电到4.2V,截止电流10mA,在温度为20±5℃下储存28天后,再以0.2C放电至2.75V计算放电容量,再与电池标称容量相比,应不小于初始容量的85%.什么是电池的内压,电池正常内压一般为多少?

电池的内压是由于充放电过程中产生的气体所形成的压力.主要受电池材料、制造工艺、结构、使用方法等因素影响。一般电池内压均维持在正常水平,在过充或过放情况下,电池内压有可能会升高:

例如过充电正极产生的氧气透过隔膜纸与负极复合，如果负极反应的速度低于正极反应的速度,产生的氧气来不及被消耗掉,就会造成电池内压升高.

内压测试

模拟电池在海拔高度为15240m的高空(低气压11.6kPa)下,检验电池是否漏液或发鼓。

具体步骤:将电池1C充电恒流恒压充电到4.2V,截止电流10mA,然后将其放在气压为11.6Kpa,温度为(20±3℃)的低压箱中储存6小时,电池不会爆炸,起火,裂口,漏液。

跌落测试

将电池组充满电后从三个不同方向于1m高处跌落于硬质橡胶板上,每个方向做2次,电池组电性能应正常,外包装无破损.振动实验:

电池以0.2C放电至3.0V后1C充电恒流恒压充电到4.2V,截止电流10mA,搁置24小时后按下述条件振动:

振幅0.8mm

使电池在10HZ-55HZ之间振动,每分钟以1HZ的震动速率递增或递减.

振动后电池电压变化应在±0.02V之间,内阻变化在5m以内.

碰撞实验

电池以0.2C放电至3.0V后在20±5℃下以1C恒流恒压充电到4.2V,截止电流10mA,安装到碰撞测试台上按如下条件测试:峰值加速度在100m/S2,脉冲持续时间为16ms,碰撞次数为1000±10,碰撞结束后目测电池外观应无异常现象,然后以1C恒流放电至2.75V,然后在(20±5℃)的条件下,进行1C充放电循环直至放电容量不少于初始容量的85%,但循环次数不多于3次.

高温高湿测试

将电池1C恒流恒压充电到4.2V,截止电流10mA,然后放入(40±2℃),相对湿度为90%-95%的恒温恒湿箱中搁置48h后,将电池取出在(20±5℃)的条件下搁置2h,观测电池外观应该无异常现象,再以1C恒流放电到2.75V,然后在(20±5℃)的条件下,进行1C充电,1C放电循环直至放电容量不少于初始容量的85%,但循环次数不多于3次.

温升实验

将电池充满电后放进烘箱,以每分钟5℃的速度升高烘箱温度,一直到烘箱温度达150℃,并将150℃保持10分钟,电池不应爆炸或起火.

过充测试：

将电池用1C充满电，按照3C过充10V进行过充试验，当电池过充时电压上升到一定电压时稳定一段时间，接近一定时间时电池电压快速上升，当上升至一定限度时，电池高帽拉断，电压跌至0V，电池没有起火、爆炸即可。

发生过充时，锂离子在负极发生沉积，电解液发生分解等。过充后，电池的使用寿命会明显降低。

短路测试：

将电池充满电后用电阻不大于50mΩ的导线将电池正负极短路，测试电池的表面温度变化，电池表面最高温度为140℃，电池盖帽拉开，电池不起火、不爆炸。

针刺测试：

将充满电的电池放在一个平面上，用直径3mm的钢针沿径向将电池刺穿。测试电池不起火不爆炸即可。挤压测试：将充满电的电池放在一个平面上，由油压缸施与13+1KN的挤压力，由直径为32mm的钢棒平面挤压电池，一旦挤压压力到达最大停止挤压，电池不起火，不爆炸即可。

在挤压实验时，隔膜受压力发生破裂，导致内部短路，产生大电流。

重物撞击测试：电池充满电后，放置在一个平面上，将直径15.8mm的钢柱垂直置于电池中心，将重量9.1kg的重物从610mm的高度自由落到电池上方的钢柱上。电池不起火、不爆炸即可。

结束语

近年来，锂离子电池在便携式电子产品和通讯工具中得到了广泛的应用，并且被逐步应用到动力型电源领域。锂动力电池目前最热门的应用是电动汽车，许多世界著名汽车厂商都致力于开发纯电动汽车及混合动力汽车，而大