產品詳細介紹Product Introduction
電池強制內部短路試驗機 JD-6003Q
一、產品概述：
電池強制內部短路試驗機是模擬電池在一定環境溫度條件下進行強制內部短路測試，測試箱為不銹鋼材質，溫度均勻性好，具有排風功能（即試驗完成后排放測試廢氣）。試驗機的控制系統為PLC觸摸屏菜單式操作，采集數據頻率可達100次/秒，同時通過PLC編程設定試驗壓力，壓力保持時間，實測壓力，電池電壓，電池溫度，壓降速度等。
二、滿足標準：
JISC8714：2007 便攜式電子應用中使用的便攜式鋰離子二次電池和電池的安全測試
IEC 62133便攜式含有堿性或其他非酸性電解質的可充電二次電池和蓄電池的安全標準
三、試驗目的：
電池在生產過程中，由于工藝控制疏漏，在鋰離子電池內部混入了極微小的金屬微粒，在電池使用中由于溫度變化或各種撞擊，金屬微粒刺穿正、負極之間的隔膜，導致電池內部短路，從而造成大量發熱引發電池起火。由于在生產過程中混入金屬微粒屬于偶然事件，很難防止這種事情的發生。因此通過“強制內部短路試驗”模擬這種金屬微粒刺穿隔膜造成內部短路的情況，如果鋰離子電池能保證在試驗過程中不出現起火、爆炸危險，則可以有效保證即使在生產過程中電池內部混入了金屬微粒，也無法刺穿正負極之間的隔膜；或者即使刺穿隔膜并造成了內部短路，仍然不會產生危及人身安全的起火、爆炸危險。
四、單電池強制內部短路試驗條件
“單電池強制內部短路試驗”的試驗樣品數量為10個，上、下限試驗條件下各5個。
其試驗步驟分為：
1.為試驗進行的充電步驟；
2.拆解電池放置小鎳片；
3.包卷回電池并使電池達到試驗溫度；
4.施壓步驟。
具體步驟：
1. 為試驗進行的充電步驟
“單電池強制內部短路試驗”是對充滿電的單電池進行試驗，其充電條件為：分別在上限試驗溫度及下限試驗溫度下穩定1-4小時后，使用上限充電電壓及充電電流，充電至定電壓充電控制時的電流值變為0.05ItA為止。上、下限試驗溫度表示電池可使用上限充電電壓及充電電流時，電芯表面的溫度和溫度，之所以選在上、下限試驗溫度條件下充電，是根據鋰電池的材料特性制定出來的。JIS C 8714提出的上、下限試驗溫度分別是45℃和10℃，上限充電電壓為4.25V，該條件是根據目前市面上比較普遍的鋰離子電池（鈷酸鋰負極-碳正極）材料特性制定的，并不能代表所有的鋰電池。JIS C 8714中提出，如果需要采用新的上、下限試驗溫度和上限充電電壓，則需要進行一定的試驗并補充資料依據。確定新上限充電電壓的考察內容包括：正極材料的結構穩定性、負極材料的鋰吸納性和電解液的結構穩定性等材料特性；確定新的上、下限試驗溫度時的考察內容包括：正極材料的結構穩定性、電解液的結構穩定性等材料特性，需保證在新上限試驗溫度下的已充電電池的安全性，并且在新上限試驗溫度中加上5℃適用JIS C 8714 第5.1款的充電條件，且符合第5.2～5.5款的試驗要求；基于負極材料的鋰離子吸納性、電解液的鋰離子移動度等（與溫度相應），需保證在新下限試驗溫度下的已充電電池的安全性，并且在新下限試驗溫度中加上-5℃適用5.1款的充電條件，且符合5.2～5.5款的試驗要求。
2. 拆解單電池并放置小鎳片
在周圍溫度20℃±5℃、結露點低于-25℃的環境下拆解單電池，并在正極活性物質與負極活性物質，以及正極鋁箔和負極活性物質之間放置圖1所示的小鎳片。之所以選在結露點低于-25℃的環境下拆解單電池，是為了防止水汽影響電池的內部化學環境。本步驟應該盡可能快的完成，以盡可能減少拆解過程中電解液的蒸發及水汽對電池特性的影響。
圖1
3. 包卷回電池并使電池達到試驗溫度
將放置完小鎳片的單電池包卷好，包卷時應避免松弛，應一邊拉緊一邊回卷，并在鎳片的放置位置做好標記，然后放入密封的聚乙烯袋中，并將封口后的聚乙烯袋裝入到鋁箔片制成的密封袋中，分別在上限（下限）試驗溫度加上（減去）5℃的條件下放置（45±15）min。此步驟是為了恢復電極體在解體前的狀態，并為接下來的加壓試驗做準備。之所以要將包卷好的單電池放入密封袋中，主要是防止電解液的蒸發和自然環境對電池化學狀態的影響，因此應選用容積盡可能小的密封袋。另外，在上限（下限）試驗溫度加上（減去）5℃的條件下放置（45±15）min是為了使電極體達到加壓試驗時的試驗溫度。如果拆解完電池后不能馬上進行加壓試驗，則包卷好的單電池在鋁箔密封袋中保存的時間應控制在12小時以內。
4.施壓步驟
在上、下限溫度條件下，使用圖2的加壓工裝，以0.1mm/s的速度對單電池放置有小鎳片的部位施加壓力，同時利用電壓表監測單電池輸出端電壓的變化，當觀測到有大于50mV的電壓降時，或者當施加的壓力達到要求（圓柱形電池800N，方形電池400N）時，即停止降低加壓工具并保持30s，然后撤除壓力。采用0.1mm/s如此慢的施壓速度，能更好的控制內部短路的時間和嚴酷等級。當施壓過程中出現50mV電壓降時，說明放入單電池內部的小鎳片已經在壓力作用下刺破電池隔膜而致使單電池發生了內部短路，此時即無需再繼續施加壓力；如果施加壓力達到800N（方形電池施壓400N）時仍沒有電壓降出現，說明單電池的隔膜可以有效防止小鎳片的刺穿，這樣也能防止單電池混入金屬小微粒后內部短路情況的發生。
a) 圓柱形電池的施壓工裝 b) 方形電池的施壓工裝
圖2 施壓工裝的外形
試驗要求：電池在實驗過程中不起火。強制內部短路試驗的注意事項及試驗設備
五、設備主要技術參數：
| 溫 控 系 統 | 溫度范圍 | -10℃～100℃ |
| 解析精度 | 0.1℃ | |
| 溫度波動度 | ±0.5℃ | |
| 溫度均勻度 | ±2℃ | |
| 升溫速率 | 1~3℃/min（非線性 空載） | |
| 降溫速度 | 0.7~1℃/min （非線性 空載） | |
| 內箱尺寸 | 500x500x600mm（長x寬x高） | |
| 內箱材質 | 304不銹鋼板，底部加強 | |
| 外箱材質 | 冷軋烤漆板 | |
| 溫控系統 | 可程式彩色觸摸屏 廣州優儀7寸控制器 | |
| 制冷系統 | 法國泰康或日本三洋壓縮機 | |
| 保護裝置 | 無熔斷絲開關、壓縮機高壓、過熱、過流保護、超溫保護、風機過載保護、保險絲等 | |
| 壓 力 系 統 | 試驗載荷 | 100Kg （常用80kg） |
| 荷重解析度 | 1/10000 | |
| 單位轉換 | Kg、lb、N | |
| 荷重精度 | FS≤±0.5% | |
| 位移解析度 | 1/1000 | |
| 位移準確度 | ±0.05mm | |
| 速度范圍 | 0.01～20mm/s，可調（常用測試速度0.1mm/s） | |
| 有效行程 | 100mm | |
| 測試平面 | 200x200mm(可定做） | |
| 電壓采集范圍 | 0～20V | |
| 電壓分辨率 | 0.1mV | |
| 電壓采集頻率 | 100次/s | |
| 壓頭尺寸 | 5x5x2mm或10x10x2mm或10x10x15mm | |
| 壓頭材質 | 丁晴橡膠，亞克力各一塊 | |
| 控制系統 | PLC控制 |
六、強制內部短路測試前單電池拆解過程介紹：
試驗要求在結露點低于-25℃的環境下進行，主要是為了防止單電池的化學環境發生變化，從而影響測試結果。首先的問題是如何實現露點-25℃的操作環境，比較可行的辦法是在手套箱中操作。經過大量的調研，我們對真空手套箱反復的抽真空充氬氣實現了這個環境。另外，電池在拆解過程中，不僅容易造成短路，而且容易引起正負極活性物質的脫落等情況，要做到拆開電池準確放置鎳片的同時不發生電池短路并保持好電池原有的狀態，不僅需要熟悉電池的各類結構，而且還要經過反復的操作練習。電池的結構各式各樣，可以向電池制造商索要單電池結構資料。在拆解過程中，為防止短路，可以使用陶瓷質的工具或對工具的刃部進行絕緣處理，另外為防止回卷時用力不當提前造成了內部短路，可以在鎳片與隔膜之間夾入厚度為25μm以下的絕緣膠片。如果在拆解過程中不小心發生了電池短路或者造成了隔膜的損傷，則此電池不得再用于接下來的試驗。
1. 小鎳片放置位置
“單電池強制內部短路試驗”分別從兩個位置考察內部短路：正極活性物質-負極活性物質之間；正極鋁箔-負極活性物質。當正極鋁箔和負極活性物質之間沒有相對面時，則僅對正-負極活性物質之間放置鎳片進行試驗。見圖3、圖4。
a正極活性物質-負極活性物質之間 b 正極鋁箔-負極活性物質之間
圖3 圓筒形單電池的鎳片放置位置
a正極活性物質-負極活性物質之間 b 正極鋁箔-負極活性物質之間
圖4 方形單電池鎳片放置位置
按照上述位置鎳片時會出現一些困難，比如活性物質脫落，此時則應在沒有脫落的位置放
置鎳片；另外，有些電池結構使得在最外圈的層面上放置鎳片有困能，此時可以放置在內
圈的層面上，只要壓力可以有效的施壓在鎳片上。
2. 施壓設備
“單電池強制內部短路試驗”要求在10～60℃環境下進行試驗，其施壓速度為0.1mm/s，
精度要求±0.005mm/s，壓力1000N，另外在試驗過程中還需要采集電壓數據和壓力數
據，當電壓出現50mV以上的下降時，或者當施加的壓力達到要求（圓柱形電池800N，方
形電池400N）時，停止加壓并保持30s。這對施壓設備提出了比較嚴格的要求，一要控制
施壓的速度和精度；二要保證施壓壓力；三要控制環境溫度；四要滿足電壓數據和壓力數
據采集的頻率和準確度。JIS C 8714與日本電池產業協會對施壓裝置的推薦規格見表1。
| 項目 | JIS C 8714要求 | 日本電池產業協會推薦要求 |
| 驅動速度 | 0.1 mm/s | 0.1±0.01 mm/s |
| 停止后的位置變化 | － | ±0.02 mm |
| 加壓能力 | 圓柱形：800N MAX | 1000N以上 |
| 方形：400N MAX | ||
| 加壓力測定方法 | － | 直接測定 |
| 加壓力測定周期 | － | 5 ms 以下 |
| 電壓測定周期 | 10 ms以下 | 5 ms以下 |
| 50mV電壓降檢出后 | － | 100 ms以下 |
