《储能材料与器件分析测试技术》课件-项目十 安全与滥用测试

1.过充放电、热滥用、振动测试与分析01过充电测试02过放电测试03热滥用测试04振动测试01过充电测试一、过充电测试过充电指锂离子电池过充时，充电电压超过设定的电压，如电池额定电压3.7V，满电电压4.2±0.05V。也就是最高电压4.25V，超过了4.25V就叫过充。过充时，电池电压随极化增大而迅速上升，会引起正极活性物质结构的不可逆变化及电解液的分解，出现大量气体，放出大量的热，使电池温度和内压急剧新增，内部隔膜融化或收缩，导致正负极材料接触短路，存在爆炸、燃烧等隐患。过充对电池有什么危害呢？一、过充电测试过充电测试步骤电池以0.1C恒流放电至2.75V，静置10min；以1C恒流充电至4.65V，然后4.65V恒压充电，截止电流为0.01C，静置10min。试验过程中监测电池温度变化，当出现以下两种情形之一时，试验终止：a）电池持续充电时间达到7h或制造商定义充电时间中较大值；b）电池温度下降值达到温度最大值的20%。当有争议时，a）和b）选较严者。要求：电池不起火，不爆炸。02过放电测试二、过放电测试过放电是指放电时电压达到额定电压还继续放电，如三元锂离子电池额定放电电压3.2V，低于3.2V还继续放电就是过放。锂电极中锂离子过度溶解，破坏电极材料结构、减少电池容量，还会改变电解液浓度，致其分解、产生有害气体甚至引发热失控反应；引发电池内部化学反应逆向进行，产生过多热量，加速电池老化损坏，且使正负极材料间化学反应失衡，损害电池性能与寿命；过放电程度深时，铜枝晶堵塞隔膜孔隙致内短路，局部电流密度大、产热剧增，热蓄积使极片表面SEI膜和电解液分解产气，加剧电池失效。过放对电池有什么危害？二、过放电测试过放电测试步骤在25±5℃，电池以0.3C恒流充电至3.65V；以3.65V恒压充电至电流降为0.05C时停止充电，静置10min。然后以0.3C电流放电，直至电池电压为0V，观察1h。要求：电池不起火，不爆炸，不冒烟或漏液。03热滥用测试热滥用三、热滥用测试电池热滥用试验对保障电池产品安全性意义重大，能模拟电池在极端条件下的工作状态，直观的呈现热失控过程（如温度骤升、气体释放、电解液泄漏、燃烧爆炸等），有助于深入理解热失控机理、评估安全性能与优化电池设计。评估安全性能量化评估电池在极端条件下的安全性能，得出热失控触发温度等关键指标，为电池安全认证提供科学依据，提升产品市场竞争力。指导设计改进依据试验数据剖析热失控原因，找出设计薄弱点，针对性地优化电池材料配方、结构设计等，推动电池技术进步发展。热滥用三、热滥用测试提高可靠性发现电池在极端条件下的弱点和故障模式，改进设计和制造过程，提高电池可靠性和稳定性，保障实际使用安全。符合法规标准助力电池制造商验证产品是否符合电动汽车、储能系统等行业领域的法规和标准，确保产品合规安全，利于市场推广应用。热滥用三、热滥用测试设备高低温湿热实验箱高低温湿热实验箱主要组成部分加热系统温控系统安全保护系统数据采集监控系统试验腔体加热系统01采用电阻丝、陶瓷加热器等高效加热元件，可快速且均匀地使试验腔内温度升至预设值，模拟电池高温工作状态，保障试验条件准确且可重复。热滥用三、热滥用测试设备高低温湿热实验箱高低温湿热实验箱主要组成部分加热系统温控系统安全保护系统数据采集监控系统试验腔体温控系统02借助精密温度传感器和先进控制算法，实现对试验腔内温度的精准控制与稳定维持，确保测试结果准确可靠。安全保护系统03涵盖超温、过流、短路保护等多重机制，试验中出现异常时能即刻切断电源，阻止事故恶化，为试验安全提供有力保障。三、热滥用测试数据采集与监控系统04实时记录并显示温度、电压、电流等关键参数，支持数据存储与分析，为研究人员提供详尽数据，助力深入理解电池热失控机理和评估电池安全性能。试验腔体05由耐高温、耐腐蚀材料制成，密封性和绝缘性良好，保障试验安全稳定，确保试验环境稳定且可控。三、热滥用测试热滥用测试步骤在25±5℃，电池以0.3C恒流充电至3.65V；以3.65V恒压充电至电流降为0.05C时停止充电，静置10min。然后将电池放入烘箱中，按照5±2℃/min的速率由室温升至130±2℃，并保持此温度30min后停止加热；要求：电池不起火，不爆炸。04振动测试振动四、振动测试将电池紧固到振动试验台上，按下述条件进行线性扫频振动试验：（a）振动方向：上下单振动；（b）振动频率：10Hz-55Hz；（c）最大加速度：30m/s2；（d）扫频循环：10次；（e）振动时间：3h。要求不允许出现放电电流锐变、电压异常、蓄电池壳变形、电解液溢出等异常现象，并保持连接可靠、结构完整。2.挤压测试与分析电池挤压测试目的评估电池在机械接触式应力作用下的安全性，模拟整车发生碰撞时，电池受到挤压而发生变形，进而导致动力电池发生起火爆炸的过程。挤压试验过程中随着电池所受挤压力变大，电池结构会发生变形，电池内部正负极片有可能刺穿隔膜，导致正负极片接触，电池内部发生短路，产生大量的焦耳热从而导致电池温度瞬间升高，正极材料、负极材料、电解液、粘结剂等各种材料本身及相互发生化学反应，引发热失控，最终诱发起火。电池内部发生热反应也会产生大量气体，达到一定压力后可能引起爆炸现象。测试标准：GB31241-2014将电池按照制造商规定的试验方法充满电后，将电池置于两个平面内，垂直于极板方向进行挤压，两平板间施加13.0kN±0.78kN的挤压力。一旦压力达到最大值即可停止挤压试验，试验过程中电池不能发生外部短路。圆柱型电池挤压时使其纵轴向与两平板平行，方型电池和软包装电池只对电池的宽面进行挤压试验。扣式电池采用电池上下两面与两平板平行的方式进行挤压试验。试验中电池放置方式参照下图所示。1个样品只做一次挤压试验。要求：电池应不起火、不爆炸。挤压测试与分析设备：电池挤压试验机电池针刺试验机主要组成部分：控制系统、动力传动系统、压力机台、数据采集系统。控制系统采用PLC电脑软件加触摸屏控制，可方便地设定和修改各种测试参数，如挤压力、挤压速度、挤压时间等，能对整个试验过程进行精确控制，并实时监控和记录试验数据，还可生成测试报表和曲线图。挤压测试与分析设备：电池挤压试验机电池针刺试验机主要组成部分：控制系统、动力传动系统、压力机台、数据采集系统。动力传动系统配备伺服马达和滚珠丝杆，伺服马达为挤压动作提供动力，可精确控制挤压的速度和力量，滚珠丝杆则将马达的旋转运动转化为直线运动，确保挤压动作的精度和稳定性。挤压测试与分析压力机台用于放置被测试的电池样品，提供稳定的支撑，并与挤压装置配合，对电池施加挤压力。防爆箱体配有照明装置以及视频摄像头监控，还带有防爆泄压孔、排风扇和移动脚轮，具备防爆、泄压、排烟等功能，可确保试验安全，便于观察试验过程和移动设备。挤压测试与分析数据采集系统集成了多种传感器，如压力传感器、位移传感器等，能够实时监测并采集电池在挤压过程中的压力、变形量、电池电压降、温度等参数，为评估电池的性能和安全性提供数据支持。电池挤压试验机测试流程接通电源，将操作台左上角的绿色按钮向下按，设备开机后，点击“进入”按钮，将进入到下一个操作画面-监控画面。电池挤压试验机测试流程参数设定：按下设定该键，画面则进入参数设定页面，在数字键盘上输入密码1068，输入完后按“ENT”键，然后按“确定”按钮，将进入到下一级参数画面，按“取消“按钮将回到监控画面。电池挤压试验机测试流程压力预置设定：指自动测试时，压头压在电池本体上所产生的压力大小设定，单位为N/Kgf。压力保持时间：指自动测试时，当压力已经达到压力预置设定值，或者电池电压压降值已经大于或等于最小压降值设定时，压头压在电池上继续停留的时间设定。变形预置值：指自动测试时，压头压在电池本体上所产生的变形大小设定，当达到该变形值时停止加压进入到保持时间，单位为%。电池原始高度：指自动测试时，手动输入电池量得的实际电池高度，单位mm。各参数含义电池挤压试验机测试流程测试前准备选择符合实验要求的电池样品，确保电池处于正常充电状态；设定挤压速度为2mm/s，挤压压力为13.0kN；将电压采集线夹住电池正负极，用耐高温胶带将温度采集线贴在电池侧面。电池置于两个平面内，垂直于极板方向进行挤压，一旦压力达到最大值即可停止挤压试验，试验过程中电池不能发生外部短路。圆柱型电池挤压时使其纵轴向与两平板平行。挤压测试：确认实验箱门扣紧，按“测试”键进行实验。3.针刺测试与分析01电池针刺测试02电池针刺试验机-测试流程01电池针刺测试一、电池针刺测试电池针刺测试目的通过模拟电池在使用过程中可能遭遇的针刺情况，评估其是否会短路、起火或爆炸等问题，从而保障电池在使用过程中的安全。标准：GB/T31485-2015直径5-8mm的耐高温钢针（针尖的圆锥角度为45-60度，表面光洁、无锈蚀、氧化层及油污），以25±5mm/S速度，垂直于极板方向贯穿，贯穿位置宜靠近所刺面的几何中心，钢针停留在蓄电池中。要求电池不起火，不爆炸。一、电池针刺测试设备针刺试验机。电池针刺试验机主要组成部分针刺装置、安全防护系统、数据采集与分析系统、控制系统。1.针刺装置：包括针刺机构和钢针（1）针刺机构：配备高速精密的针刺机构，能够在设定的速度和深度下穿透电池壳体，直接作用于电池内部，引发内部短路。常见的针刺速度范围为10～50mm/s，精度可达±1mm/s。（2）钢针：使用耐高温的钨钢针，直径一般在φ2mm到φ8mm之间，针尖的圆锥角度为45°～60°，表面光洁，无锈蚀、氧化层及油污。4.控制系统一、电池针刺测试2.安全防护系统：包括防爆箱、气体排放系统、温度监控与灭火装置等，确保测试过程的安全可控，防止意外事故的发生。3.数据采集与分析系统：实时监测并记录测试过程中的电压、电流、温度等关键参数，为后续的安全评估提供数据支持。02电池针刺试验机-测试流程二、电池针刺试验机-测试流程接通电源，将操作台右边“电源”旋到开，点击“进入系统”按钮，将进入到下一个操作画面-监控画面。点击面板上的照明和排烟。1进入系统自动监控画面二、电池针刺试验机-测试流程测试参数设定：在数字键盘上输入密码1068，输入完后按“ENT”键，然后按“确定”按钮，将进入到下一级参数画面，按“取消”按钮将回到监控画面。2参数设定:（1）压力设定为130N，针刺速度20mm/s；（2）空位移距离，手动测量；（3）针刺深度设定大于空位移和电池厚度之和。二、电池针刺试验机-测试流程各参数含义压力预置设定压头压在电池本体上所产生的压力大小压力保持时间当压力已经达到压力预置设定值，或者电池电压压降值已经大于或等于最小压降值设定时，压头压在电池上继续停留的时间电池原始高度指自动测试时，手动输入电池量得的实际电池高度空位移距离指钢针尖到电池表面的距离，需手动测量距离针刺深度指钢针刺入电池的深度，需测试电池的厚度手动复位指对压头在上下移动时可能产生的误差进行一次纠正的操作强制上升指压头在因为误操作时不慎压过头而导致压头无法动弹时，可按下该键，强迫使压头上升二、电池针刺试验机-测试流程测试前准备3选择符合实验要求的电池样品，确保电池处于正常充电状态；安装针刺测试的固定支架；更换直径5mm的耐高温钢针，用下图工具逆时针旋转；将测试电池固定在样品架中心位置，钢针垂直于极板方向贯穿，贯穿位置宜靠近所刺面的几何中心。二、电池针刺试验机-测试流程针刺测试：确认实验箱门扣紧，按“测试”键进行实验，通过观察针刺试验机下方的玻璃窗记录实验现象。4二、电池针刺试验机-测试流程注意事项测试之前务必将针刺试验机门扣扣紧；将针刺器调节到预设的高度，确保钢针对准电池的中央；不锈钢棒十字交叉放置在样品的中心位置上；实验中观察电池是否出现起火或爆炸；针刺实验完成1h后观察无危险方可打开实验箱门；每个样品电池只承受一次冲击，每次试验要使用不同的样品。4.短路测试与分析01内短路02外短路01内短路一、内短路锂离子电池的短路可分为外短路和内短路。内短路被认为是导致锂离子电池热失控、起火甚至爆炸的重要原因之一。内短路的诱因和发生机制通常与电池内部的制造缺陷、使用过程中的机械损伤、材料老化、热失控等因素有关。内短路故障诱因一、内短路内短路形成机制内短路指电池内部正负极通过电解质直接连接，致电池失效或热失控。其成因包括：内部缺陷制造过程中结构变形（如隔膜穿孔、厚度不均等缺陷致正负极接触）和引入异物（不规范操作环境致异物入电池内部）。一、内短路内短路形成机制内短路指电池内部正负极通过电解质直接连接，致电池失效或热失控。其成因包括：机械滥用是指在碰撞发生时，强大的外力会造成电池变形和位移。机械滥用主要包括挤压和穿刺，发生机械滥用时，会使电池隔膜穿刺或失效，引发内短路，严重时会导致热失控、着火、爆炸等重大事故。尖锐物体刺入电池内部，直接刺穿隔膜，造成短路。一、内短路内短路形成机制内短路指电池内部正负极通过电解质直接连接，致电池失效或热失控。其成因包括：电滥用过充电和过放电是导致电滥用的主要因素，过充或低温充电时负极表面可能形成锂枝晶穿透隔膜，过充或过放导致电池内部温度升高，电解质产气致隔膜熔化或破裂，引发内短路。一、内短路内短路形成机制内短路指电池内部正负极通过电解质直接连接，致电池失效或热失控。其成因包括：热滥用高温是造成锂离子电池热滥用最常见的原因之一。当电池长时间处于高温环境下时，可能导致隔膜熔化，正负极接触而短路。某些正极材料（如高镍三元材料）在充放电过程中会发生膨胀，长期循环可能导致隔膜受损，形成内短路。一、内短路内短路测试的方法人工设计内部缺陷法记忆合金替代实验：采用记忆性金属合金制作成触发元件，利用其记忆特性，常温时保持表面平整，植入电池样品中，当温度升高时触发元件尖端翘起，刺穿隔膜，实现电池内部正极部分(包括正极极耳、正极集流体、正极活性物质)与负极部分（包括负极极耳、负极集流体、负极活性物质）之间的低阻性短接。杂质颗粒替代实验：在电池内部引入金属颗粒或其他导电材料，通过充放电过程触发内短路。02外短路二、外短路外部短路是动力电池安全事故中最易出现的故障之一，也是触发电池热失控的重要原因之一。外部短路发生瞬间会产生大电流放电，电池内部会发生一系列电化学反应，进而引起一系列连锁放热反应，最终引发电池温度急剧上升，耦合了电滥用与热滥用情况。二、外短路外短路的形成机制外短路是指电池正负极在外部直接连接，导致大电流通过，引发电池过热、失效甚至爆炸。其形成机制包括：外部导电物体意外接触，如金属工具意外接触正负极；连接错误，实验或使用中误接正负极；电池组内部连接故障，电池或导线故障致正负极短接，保护电路失效加剧风险；外部环境因素，潮湿、水浸致正负极经水介质短路，电池表面有导电污染物如盐分。二、外短路测试标准GB31241-2014常温外部短路测试(20±5℃):将电池按照标准规定的试验方法充满电后。放置在20℃±5℃的环境中，待电池表面温度达到20℃±5℃后，再放置30min。然后用导线连接电池正负极端。并确保全部外部电阻为80mΩ±20mΩ。试验过程中监测电池温度变化，当出现以下两种情形之一，试验终止。01电池温度下降到比峰值低20%；02短接时间达到24h。二、外短路测试标准GB31241-2014常温外部短路测试(20±5℃):将电池按照标准规定的试验方法充满电后。放置在20℃±5℃的环境中，待电池表面温度达到20℃±5℃后，再放置30min。然后用导线连接电池正负极端。并确保全部外部电阻为80mΩ±20mΩ。试验过程中监测电池温度变化，当出现以下两种情形之一，试验终止。要求：电池应不起火、不爆炸，最高温度不超过150℃。高温外部短路测试(55±5℃)：步骤和要求同上传感器：配有电压、电流和温度传感器，实时采集电池在短路过程中的