锂离子电池的过充电测试

作者简介：林健，福建省产品质量检验研究院电子所电池实验室，工程师。E-mail: 49750001@qq.com。

0   引言

当前，随着经济的快速增长和科技的高速进步，便携式设备和智能设备的广泛应用逐步提高了人们的生活质量和便捷性。大到电动车、笔记本电脑、iPad，小到手机、手环、学生手表等，几乎成为大部分家庭甚至每个人生活和工作不可或缺的装备。由于具备体积小、容量大、循环使用寿命长等这些优点，使得锂离子电池成为这些电子产品的动力首选。市场上电子产品质量良莠不齐，有些厂家在利益的驱逐下铤而走险，为节约成本，使用了劣质的锂离子电池。这些锂离子电池本身不带保护电路，或者即使有保护电路，也无法起到保护功能。消费者在不当使用（如长时间充电）或者出现故障（如某一保护器件失效）的情况下给设备充电，极易对锂离子电池产生过充，引起电池的外壳裂纹、破裂或爆裂而导致化学漏液，化学漏液可能严重影响安全防护，而温度过高则可能发生着火、甚至爆炸等危险，进而危及消费者的人身及财产安全。针对锂离子电池的过充电性能，GB 31241—2014标准规定所有的便携式用锂离子电池都应满足6.3 条款“过充电”的试验要求。下面，我们就从试验对象、试验原理、试验方法和试验实例等四个方面来进行阐述。

1   试验对象

过充电试验主要针对的是可充电锂离子电池，对于燃料电池、镍氢电池、铅酸蓄电池及不可充电电池如干电池不适用。一般情况下，只有锂离子电池组内才有安全保护电路（见图1 电池A），其他类型的电池不具备安全保护电路（见图1 电池B）。锂离子电池是一种可将化学能转化为电能、并可以循环充放电的电池。该电池一般含有外壳、端子、正负电极、隔膜、电解液^[1]。锂离子电池组是一种由任意数量的锂离子电池加保护电路板及外部材料封装组合而成，其保护电路中可能还带有保险丝、热敏电阻等保护器件^[1]。锂离子电池组即传统定义中的电池。本试验对象为图1 中的电池B，即传统定义中的电芯。锂离子电池过充电测试应当使用全新设备中的电池，或者由制造厂商提供的全新电池。根据锂离子电池厂家提供的参数，将电池用推荐放电电流放电至电池的放电截止电压后再进行过充电试验。

图1 锂电池A内部有保护电路，锂电池B无保护电路

2   试验原理

锂离子电池的过充电测试在模拟电池组中的保护电路因某个元器件故障导致保护功能失效，或者是其保护电路本身就不带过充保护功能的情况下非正常充电。该试验是为了测试锂离子电池（即电芯，没有保护电路）在承受过充电的过充应力时的电池安全性能。过充电的过充应力都施加在电芯上，实际上等于直接对电芯的耐过充电能力进行考核。为了使试验时间最短，测试过程中可借用温度记录仪或者电池充放电设备自带的温度监控探头来监测电池表面温度变化。若电池持续充电的时间超过7 h 及厂家提供的充电时间中较大值^[1]，或者被测电池表面的温度下降到比峰值低20%^[1]，即可终止试验。锂离子电池受到过充电的过充应力时，其自身应能够避免因过充应力产生起火、爆炸等危险。这种情况，对电芯的要求是比较严酷的，所以在研发人员在选择电芯的时候，应有这方面的考虑。

3   试验方法

1）根据锂离子电池厂家提供的参数（厂家需提供推荐放电电流和放电截止电压这两个参数），将锂离子电池用推荐放电电流放电至电池的放电截止电压（此时可以认为电池已放完电）。

2）然后取3 倍率额定容量（额定容量可以根据电池样品上铭牌标称确定，也可由厂家提供的规格书确定）大小的电流或者用3 倍率推荐充电电流（该推荐充电电流由厂家提供）中的较大值，进行恒流充电至其过压充电电压（该电压由其正极材料决定，见表1，对于其他正极材料的锂离子电池过充电电压至少应为4.6 V），然后用该试验电压恒压充电^[1]。

3）测试过程中将温升记录仪或者电池充放电设备自带的温度监控探头用温升胶黏在被测电池表面的中心位置，用来采集监控电池表面的温度变化。若电池持续充电的时间超过7 h及厂家提供的充电时间中较大值[1]，或者被测电池表面的温度下降到比峰值低20%^[1]，试验即可终止。如监测到电池表面的峰值温度为100 ℃，由于电池的保护，后面温度降到80 ℃，虽然此时电池持续充电的时间可能很短，本试验便可终止。

4）电池应不起火、不爆炸^[1]。

4   试验实例

我们以一个应用在智能手机上的锂离子电池（图2）作为测试样品。测试样品的额定容量为1 800 mA·h，充电限制电压为4.2 V，推荐充电电流为520 mA，放电截止电压为2.8 V，电池的正极材料是钴酸锂，制造商未规定充电时间。根据以上信息，我们应用3 倍率额定容量大小的电流（5.4 A）恒流充电至其过压充电电压（4.6 V），然后用4.6 V 的电压恒压充电并监测电池温度变化（试验布置见图3）。

图2 锂电池外观

图3 锂电池试验布置图

经测试发现，电池的温度下降到峰值（46.9 ℃）的20%（37.5 ℃）（温度曲线见图4）时，此时电池放完电后已持续充电约40 min（过充电曲线见图5），停止试验。观察电池，发现电池未起火，未爆炸，按照标准要求，则可以判定该电池能满足过充电测试要求（试验后电池见图6）。

图4 锂电池过充电试验温升曲线

图5 锂电池过充电试验电压电流曲线

图6 锂电池过充电试验后外观

5   结束语

锂离子电池的过充电测试可以理解为是对电芯的耐过充电承受能力的考核。实际的电路应用中，建议工程师在电路的设计和电芯的选型中，保护电路和电芯都能够承受过充电测试，耐受过充电测试的过充应力，做到双保险，最大限度保护消费者的安全。

参考文献：

[1] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB31241—2014便携式电子产品用锂离子电池和电池组安全要求[S].2015.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2021年9月期）