logo
当前位置:池能电子 -- 新闻中心 -- 行业新闻 -- 浏览文章

手机锂电池的安全性能管控

时间:2014-11-18 14:35:19来源:现代电信科技浏览次数:
杨璐工业和信息化部电信研究院泰尔实验室工程师
王阳工业和信息化部电信研究院泰尔实验室助理工程师
肖雨工业和信息化部电信研究院泰尔实验室助理工程师
章永春工业和信息化部电信研究院泰尔实验室助理工程师

摘要:基于手机的市场现状及发展趋势,阐述了手机用锂电池的性能需求及安全隐患,重点强调了电池出厂前的安全管控需要从设计环节、制造环节、环境控制等诸多环节综合考虑,分析了出厂后的成品电池的常用检测项目及测试标准,建议采用成品电池配合手机及充电器共同测试的方式,并指出手机锂电池的安全管控重在思维方式的转变。

关键词:手机,锂电池,安全,管控,检测

Abstract:This paper discusses the performance requirements of lithium batteries for mobile phones and security risks of the batteries based upon the market situation and  evelopment trend of mobile  phones, with focus on the need for the battery safetymanagement and control from aspects of design, manufacturing, environmental controlin factory. It analyzes commonly used test items and test standards for the batteries, and suggeststhe battery testing method combining mobile phones and chargers together. Finally, it points out that the traditional thinking for battery safety management and controlshould be changed.

Keywords: mobile phone, lithium battery, safety, management and control, test

1 引言


    随着移动通信技术的迅猛发展,手机已经成为人们日常生活中不可或缺的通信工具。手机电池作为产品的必要配件,其基本性能、安全性能对手机的使用产生着至关重要的影响。
同样伴随着3G、移动互联网技术与应用的发展,智能手机的普及也成为趋势。人们对电池续航能力的要求越来越高,手机锂电池的安全问题也日益受到广泛关注。在提高电池基本性能的同时保障电池的安全性能成为电池制造厂商的重要课题。

2 手机锂电池的安全隐患及市场监管现状


    工信部最新公布的“2013 年2 月通信业经济运行状况”中的数据显示,截至2013 年2 月底,我国移动电话用户已超过11 亿,达到11.32 亿户,继续保持较高速度增长的态势。其中移动互联网用户净增量表现突出,净增量达1 607 万户,总数达到8.03 亿户。智能手机被广泛使用,智能手机将会与普通功能型手机完成具有历史意义的交接棒已经是不可逆转的趋势。市场研究公司Forrester 称,智能手机用户数量还在呈现爆炸式的增长,而且手机上的电子商务应用变得越来越普及。

    智能手机由于其屏幕大、功能全、处理器众多等特点,其所用的电池要求容量更大,最好兼容体积小、循环寿命高等特性。这使得手机锂电池的能量密度越来越大,电池的安全性能也变得越来越重要。我国早已对手机产品有入网检测评估,可目前的检测项目尚不包括手机电池。手机电池至今仍无强制认证,更谈不上有效的管控。由于电池的生产门槛并不是很高,市场上的产品良莠不齐,虚标、乱标容量情况十分严重,安全性能不容乐观。未经严格检测评估的大容量锂电池会带来更高的危险性,给消费者及手机制造厂商带来很大的安全风险。
    无论是国外品牌也好,国内品牌也罢,手机锂电池都是影响手机安全性能的最主要的部件。安全无小事,对于电池的安全,笔者一直这样认为:电池的安全绝不能仅仅依靠产品检测。传统的方法,仅依靠对成品电池的测试是不科学的。如果未对电池的初始设计、制造过程加以管控,成品电池一经生产出来就已存在潜在的危险。为此,需要从设计环节、制造环节、环境控制等诸多环节综合考虑,进行有效的安全管控。

    对于关注电池质量的手机制造商而言,如果想建立手机电池评测体系,首先要理清引发电池安全性问题的根源,从而建立合理的检测管控流程,制定全面的手机电池测试方案及企业标准。

3 手机锂电池出厂前的管控

    锂电芯是锂电池内部电能和化学能相互转化的核心部件,其储存的能量是电池发生安全问题的能量来源。故而理清锂电芯的内部结构非常必要。锂电芯结构按生产工艺主要分为缠绕式锂电芯和叠片式锂电芯两类。图1 中给出了叠片式的锂电芯结构图,配上保护电路即成为我们手机用的锂电池。

图1 叠片式锂电芯结构图

3.1 设计环节的管控
    锂电池的设计是锂电池质量控制的源头,不合理的设计会直接导致锂电池性能降低,甚至产生安全隐患。

以锂电池隔离膜的选择为例。
    隔离膜的作用是隔离正负极板,防止其短路,而又可使离子通过,并具保持电池充放电性能,它直接影响电池基本性能,又是保证锂电池安全稳定工作的核心材料。锂电池隔膜成本占电池成本的1/3 左右。隔离膜的采购一般是从整体电池设计开始的,所以我们建议从电池厂家的设计开始把关,要求厂家在设计时对隔离膜的孔隙率、厚度和强度进行考虑,并应配有相应的内部测试数据。由于隔离膜具有收缩特性,我实验室在实际检测中要求隔离膜的设计尺寸要比阳极、阴极大,考虑在工艺误差外,隔离膜必须比极片外边长至少0.1 mm,覆盖正负极。图2中给出了隔离膜覆盖正负极的模型。

图2 隔离膜覆盖正负极 

    再如电池正负极板的设计、极耳的长短控制、泄压阀的设计等,其中有很多细节是需要特别注意的,直接影响到日后电池的安全。图3 中给出了缠绕式锂电芯极耳长短控制中需要注意的一个细节。

图3 极耳的长短控制

3.2 生产制造环节的管控
    根据目前的锂电池生产工艺,手机用锂电池生产制造流程可总结如图4。

图4 锂电池生产制造流程

    电池的质量离不开生产制造环节。所以它也成为电池引发安全隐患的源头之一,在如上图的诸多生产制造环节中,有一项生产制造环节未达到相应的质量要求都可能降低电池本身的性能,甚至影响电池的安全性能。

    例如常见的析锂(锂由锂离子转变为锂金属)问题会直接降低电池寿命,甚至引起安全问题。在滚压过程中如果负极压实过高,负极压实明显高于材料正常压实时,锂离子无法在充电时充分嵌入负极,会造成析锂。在涂料过程中,如果涂料不均匀,或正负极用料量比例不合适同样会造成析锂。锂离子相应减少,此时电池容量大大降低。离子态的锂无害、无危险,而析出的锂晶体,具有强氧化性,属于高度危险品且可以刺破隔膜直接造成电池内部短路,急聚热量造成爆炸。

    滚压过程的压力并非越大越好,和材料厚度以及能量密度相关。在测试过程中通过循环寿命和短路试验来检查电池析锂情况。有效管控好锂电池的生产制造环节是降低电池安全隐患的重要手段。

3.3 环境控制及其它环节管控
    电池制造厂的环境控制也十分重要,笔者建议手机厂商在条件允许的情况下在手机电池定制的过程中可以对电池制造厂进行实际考察审厂。除需符合ISO9000 等质量体系外,根据电池产品的生产特点,还有其它因素可能影响电池性能及安全,如粉尘指标、检测设备、温湿度等。图5 给出了电池生产车间环境控制的实例。图中的操作人员均身着防静电工服,工作环境整洁、有序。控制不好的环境会导致很多污染物进入电池内,造成安全隐患。

 
图5 电池生产车间环境控制

    以检测设备为例,我们走访交流过的某些电池厂家对电池生产中的一些重点环节有质量监测设备。如某些知名电池厂家采购大型X 射线设备,专门对工序中所有的组装电芯逐一进行X 光检测,通过X 射线设备可以清楚的了解电池内部极片结构,目前国内电芯制造厂家用X 射线100%全检卷芯的并不多,绝大多数采用了其它方案如增加设计余量或采用自动卷绕等来保证。

    国内电池检测标准没有对电池生产过程中的设备或重要质量环境等因素提出要求,使得两家电池厂商依照同一检测标准,可以采购不同的设备,都可达到要求。同样对于同一家公司,如果不提管控措施,满足同一标准下也可自行选择设备,可以降低要求,降低成本,简化流程,导致手机厂商定制电池产品的优劣不同。有些电池虽然通过了目前的电池标准成品测试,但在使用中发生的危险性的几率将大大增加。可见针对锂电池的生产环境控制以及其它环节管控的重要性。

4 手机锂电池的成品检测管控

    成品检测是对已成型电池的设计、生产、品质控制的一次综合的、全面的验证。成品检测虽不能反应出锂电池从设计、生产制造到成品应用的全部安全隐患,然而一旦锂电池形成成品出厂,成品检测就成为手机厂商或是第三方实验室针对锂电池产品安全最基本的管控手段。通过对锂电池产品进行判别,可以发现一些设计、生产环节的不足。目前国内外的电池安全标准绝大部分也是针对成品检测的。下面对常用电池检测项目进行列举,供使用参考,详见表1。
表1 常用电池成品检测项目
类别典型
测试项目
电气性能
高/ 低倍率充电及放电、过充电、强制放电、外部短路(常温、高温)、低温放电、内阻测试、ESD放电测试等
机械稳定性能 自由跌落、重物冲击、振动、碰撞、挤压、针刺等
环境适应性能
海拔模拟、温度循环、恒定湿热、热冲击、荷电恢复及保持能力、水洗等
其它特殊条件 燃烧喷射、电池驻压等


    针对手机用锂电池的安全标准有很多,并不统一,国内主要还在执行GB/T18287-2000 的推荐性标准。该版本比较旧,一些试验条款如150℃的热冲击条件,10V 的电芯过电压充电条件已经不适应现有的锂电池检测。该标准的最新版本已经完成报批、处于公示阶段。国外锂电池的安全标准主要有IEC、UL 的标准,也有个别地区、国家执行特殊标准或测试方法如北美CTIA 组织针对IEEE1725 的测试方法等。常用电池检测标准详见表2,供使用参考。

    在众多安全标准及测试方法中,笔者特别推荐北美地区CTIA 组织针对IEEE1725 的测试方法。该方法参考了IEEE1725 标准的设计理念,也从锂电芯、锂电池、手机、手机充电器四个方面去全面评估和测试成品电池和内部电芯以及周边的配套应用。这样在评估成品电池的安全性能同时,也评估了内部电芯及周边设备的安全保护配合,可全面降低手机锂电池使用中的安全隐患。
表2 常用电池检测标准
国外检测 典型测试标准
IEEE 1725-2011,<IEEE Standard for Rechargeable Batteries for Cellular Telephones>
IEC 62133-2012 ,<Secondary cells and batteries containing alkaline or other non-acid,electrolytes-Safety
requirements for portable sealed secondary cells, and for batteries made from them for use in portable
applications>
UN38.3-2011,Part III <Recommendations on the Transport of Dangerous Goods, Manual of Tests and Criteria, United
Nations>
UL 1642-2009,<Safety for Lithium Batteries>
UL 2054-2009,<Safety for Household and Commercial Batteries>
国内检测 GB/T 18287-2000,蜂窝电话用锂离子电池总规范
YD 1268-2003,移动通信手持机锂电池及充电器的安全要求和试验方法

5 结论

    手机用锂电池的安全性在国内已讨论多年。本文着重点说明手机锂电池的安全管控手段,对于具体的检测方法并未过多赘述。我们认为针对手机锂电池的安全管控,更重要的是思维方式的转变。传统的检测方式是通过检测成品电池证明电池符合安全和性能的要求,这是电池最基本要达到的要求。评价电池的好坏,除了满足这些要求以外,其最重要的指标是发生问题的比例。而问题往往发生在电池的制造过程中。想要降低发生问题的比例,就应该对电池的设计、生产、品质管控等环节进行严格规定和控制,从源头上控制电池的品质,降低制造商或销售商的风险,这样才能降低最终消费者的使用风险。即使电池成型,进入到成品电池的管控阶段,针对于手机锂电池,我们也建议调整传统的思维方式,将电池配合手机及手机充电器进行全面测试,锂电池的内部电芯也要单独测试。采取所有必要可行的方式以降低安全隐患。

    随着手机锂电池的广泛使用。笔者相信锂电池安全性能的管控对于消费者、手机厂家、电池厂家、都非常重要。对于其它便携消费类电子产品的锂电池应用管控也有重要的参考意义。

技术文档下载:
 下载信息  [文件大小:339.18 KB 下载次数: 次]
点击下载文件:手机锂电池的安全性能管控.pdf

 



相关文章
相关产品
收缩
  • 电话咨询

  • 0769-28823203