锂离子电池 (LIB) 安全性是设计人员关注的主要问题。如果 LIB 正确制造并正确集成到系统中，则它们通常可以安全使用。但是，不合格材料的使用以及制造或设计缺陷的可能性会导致危险情况中国机械网okmao.com。因此，有许多与 LIB 相关的全球安全标准。本常见问题解答首先着眼于 LIB 热失控的可能性和后果，它着眼于最常引用的 LIB 安全标准，它回顾了所谓的“钉子穿透”测试的非标准性质，着眼于与电动汽车中的 LIB 相关的危险水平，最后简要介绍纽扣电池安全标准。
LIB 中的热失控 (TR) 可能是灾难性事件。它可能有多种原因，例如枝晶形成、制造缺陷、使用过程中的物理损坏等。它不会同时发生，而是在一系列阶段中发生。第一阶段是过热的开始（图 1）。如果不熄灭，固体电解质界面 (SEI) 会分解，热量继续积聚，导致更多副反应，可能会熔化隔板。随着加热的继续和温度上升的速度增加，进入TR阶段。TR 定义为至少 10°C /min 的自加热速率。当它加速时，TR 会导致无法控制的温度，并且电池可能会破裂甚至爆炸。将经历 200 °C 甚至更高的温度，并且电池会着火。
图 1：电池热失控的三个阶段。（图片：能源研究前沿）
小型锂电池标准
三个最常被引用的 LIB 安全标准是：
UN/DOT 38.3 第 5 版，修订 1 – 关于危险货物运输的建议
IEC 62133-2:2017 – 用于便携式应用的便携式密封二次锂电池及其制成的电池的安全要求 – 第 2 部分：锂系统
UL 2054 第 2 版 – 家用和商用电池
不满足 UN/DOT 38.3 的 LIB 仅限于作为第 9 类危险品通过陆运运输。虽然可以根据该标准进行自我认证，但大多数公司使用第三方测试实验室来限制责任。UN 38.3 包括环境、机械和电气应力的组合，按顺序 (T1-T5)：
T1 – 高度模拟（原电池和二次电池和电池）
T2 – 热测试（一次和二次电池和电池组）
T3 – 振动（原电池和二次电池和电池）
T4 – 冲击（一次和二次电池和电池）
T5 – 外部短路（一次和二次电池和电池）
T6 – 影响（初级和次级电池）
T7 – 过度充电（二次电池）
T8 – 强制放电（原电池和二次电池）
振动测试 (T3) 是最具挑战性的，因为它包括在三个主要平面中的每一个平面上承受三个小时的强烈振动。从 T1 到 T5 的顺序通常具有负面的累积影响，这使得通过 T6、T7 和/或 T8 更具挑战性，具体取决于要求。
UN/DOT 38.3 是 IEC 62133-2:2017 的整体要求。IEC 62133-2 增加了四项附加测试：
塑壳应力
外部短路
自由落体
电池过充
这些测试几乎没有满足 UN/DOT 38.3 所需的测试那么具有挑战性。
UL 2054 的情况尚不清楚。许多仍然需要符合美国终端设备标准的 UL 2054。第一版 UL 62133 已经发布，与 IEC 62133 完全协调，UL 2054 和 UL 62113 的要求有很大不同。例如，IEC 62133 主要关注电池的火灾或爆炸危险，而 UL 2054 则关注暴露问题。因此，IEC 测试指定使用完全充电的电池，而 UL 测试指定使用完全放电的电池。UL 2054 是这些标准中较为复杂的一个，与 UN/DOT 38.3 或 IEC/UL 62113 相比，其测试数量大约是其两倍：
7 电气测试
4 次电池外壳测试
4 次机械测试
1 火灾暴露试验
2 环境测试
圆柱形、袋形、棱柱形还是硬币形？
四种最常见的 LIB 电池形式是圆柱形、棱柱形、硬币和袋状电池。圆柱形电池有高容量和低容量两种形式。低容量电池具有较低的阻抗并用于更多应用（有关各种圆柱形 LIB 的讨论，请参阅“18650、21700、30700、4680 和其他锂离子 - 有何不同？”）。棱柱形电池通常具有更大的容量并且可以简化系统设计，但它们也比圆柱形电池更昂贵。软包电池越来越受欢迎，因为它们提供了封装灵活性，可以将电池与特定的设备形状相匹配。纽扣电池本质上是低容量设备，用于小型便携式设备。
内部短路是适用于大多数 LIB 的最关键的滥用测试。在实际应用中，内部短路可能由各种原因引起，例如机械损坏或生产缺陷。最引人注目的内部短路测试形式可以是“钉子穿透”测试。钉子穿透测试通常用于对 LIB 的热失控和内部短路进行科学调查。它不是标准化测试，受多个变量的影响，包括所用钉子的类型和大小、钉子穿透电池的速度、电池的充电状态等（图 2）。
图 2：18650 电池在位置 1 的钉子穿透测试显示热失控的开始和传播。反应区的扩散以半透明红色突出显示，黄色箭头表示活性材料向排气口的主要转移。（电池单元的左中绿色图像显示了钉子穿透的位置）。（图片：电化学学会杂志）
考虑到安全性，更大的单元尺寸更具挑战性。物理结构对安全性也有重大影响，圆柱形电池最安全，棱柱形电池最不安全，而软包电池则介于中间。在某种程度上，这与保持细胞凉爽有关。棱柱形电池的散热最差，而电池组中圆柱形电池之间的间隙往往会简化热管理。圆柱形和棱柱形电池具有可承受高压的金属外壳。如果存在内部短路，这可能是负面的，因为压力可能会增加到潜在的爆炸水平。软包电池往往会在较低压力下爆裂，并可能着火，但很少发生爆炸。选择“最佳”单元格格式是一个复杂的过程，三种包装格式中的每一种都被不同的电动汽车制造商使用。更复杂的是，存在具有不同要求的各种区域和全球电动汽车电池安全标准（表 1）。
表 1：EV 电池和电池组的六项安全标准概述（φ代表钉子直径）。（表：能源化学杂志）
危害等级
在电动汽车中，成百上千个电池单元组合在电池组中，增加了对电池安全性的挑战。在正常运行条件下，电动汽车电池热管理是困难的。当发生异常情况（例如事故）时，挑战可能变得难以应对。这就是应用“危险等级”概念的地方。EUCAR 和 SAE-J 危险等级以及相关标准被广泛应用于确定 EV 电池组的安全性（表 2）。
表 2：EUCAR 危险等级和说明。（表：能源化学杂志）
纽扣电池安全
在尺寸范围的另一端，纽扣电池，也称为纽扣电池，LIB 因其可能对儿童造成严重伤害或死亡而备受关注。例如，UL 4200A 于 2021 年 6 月获得 ANSI 批准。它仅适用于需要这些电池的家用产品，这些产品通常用于儿童所在的区域。UL 4200A 旨在帮助降低儿童从产品中取出纽扣和纽扣电池并吞食电池的风险。
包含可拆卸纽扣电池 LIB 的设备受 UL 4200A 限制，只能使用特定方法来防止儿童取出电池。该标准还包括标记设备，包括警告让儿童远离电池。它还包括描述儿童吞咽 LIB 的潜在危害和立即就医的必要性的特定语言。
针对纽扣电池 LIB 的国家特定和地区安全标准也越来越多。例如，英国标准协会的 PAS 7055:2021 于 2021 年 4 月发布，它规定了直径不超过 32 毫米的非锂纽扣和锂纽扣电池以及使用它们的产品的安全要求。
概括
LIB 有多种安全标准。在精心设计的系统中，如果使用得当，设计完美的 LIB 会带来非常低的安全隐患。这些标准认识到，即使采用最先进的制造和系统集成技术，也无法达到完美。这些标准旨在在通常不完美的现实条件下最大限度地提高安全性。由于这些不同的标准在不断审查和发展，设计人员需要跟上最新的发展。
