电能计量设备用电池制造及性...能计量设备用电池检测技术》_成长城.pdf

第 53 卷 第 2 期2023 年 4 月电池BATTERY BIMONTHLYVol.53,No.2Apr.,2023作者简介:成长城(1975-),男,江苏人,江苏省江阴中等专业学校、江苏联合职业技术学院江阴中专办学点高级讲师,硕士,研究方向:职业教育、机械加工制造。基金项目:2022-2023 学年江阴市教育科研专项资金重大项目广告书评电能计量设备用电池制造及性能检测 评电能计量设备用电池检测技术成长城1,2(1.江苏省江阴中等专业学校,江苏 无锡 214433;2.江苏联合职业技术学院江阴中专办学点,江苏 无锡 214433)随着物联网的普及,当前的电能计量设备大都实现了远程数据传输和控费功能。这类设备仪表需要长时间待机,平时功耗非常小,只有上传数据或者接收控制指令时,功率才比较大。针对这种使用场景,需要配备耐用性强的一次性电池。一次电池有多种类型,但应用于电能计量设备的,主要是锂亚硫酰氯电池及锂二氧化锰(锂锰)电池。徐英辉主编的电能计量设备用电池检测技术系统介绍了电能计量设备用电池的检测技术。全书共分 8 章:第 1章为绪论,第 2 章为电池原理及制造工艺,第 3 章为电池性能检测技术,第 4 章为机械性能检测技术,第 5 章为环境性能检测技术,第 6 章为安全性能检测技术,第 7 章为失效分析技术,第 8 章为选用方法及废旧电池处理。1 电能计量设备用电池应用情况电能计量设备作为记录发电量、供电量、厂用电量、线损电力及用户用电量的计量器具,其准确与否,直接关系到供用电双方的经济利益。多年来,在实际使用中,因电池导致电能计量设备故障的问题,一直是电能计量设备维护和管理的重要关注点。从生产制造及应用层面加强电能计量设备用电池质量管理,具有非常重要的意义。锂一次电池俗称锂电池,是电能计量设备用的主要电池。电池产品的标准,尤其是安全标准,是约束质量的重要依据,也是规范市场秩序和推动技术进步的重要手段。目前电池检测参照国内外几种认证体系。UN 38.3 指由联合国危险货物运输专家委员会编写的试验和标准手册中关于锂电池检测的第 38.3 节。UN 38.3 依据国内外各种标准,对各种型号电池进行全套安全性能测试,以确保产品各项质量符合标准,从而提高电池的出口能力。UL 认证是美国保险商试验所作出的认证,非强制性,但是美国海关对于贴有“UL”标志的商品放行,而没有此标志的产品需要复杂的检验程序,因此,电池作为电气产品的零部件进入美国前进行 UL 认证,可以极大地提高出口能力。CQC 标志认证是中国质量认证中心开展的认证业务之一,遵循自愿性原则,当前不少电池企业都进行了 CQC 认证。通过该认证,代表产品质量完全满足或高于国家或行业标准,有助于提升企业形象。电池CB 认证是一个产品认证名称,目前是国际通用的认证。电池 CB 证书测试标准是 IEC/EN 62133,规定了含碱性或非酸性电解液的便携式密封二次电池单体或电池组,在预定用处或可预见乱用情况下的安全功能的要求和测验方法。2 锂亚硫酰氯电池和锂锰电池常用于智能电表的锂一次电池主要有锂亚硫酰氯电池和锂锰电池两类。锂亚硫酰氯电池以锂为负极,碳为正极,无水四氯铝酸锂的亚硫酰氯(SOCl2)溶液为电解液。锂亚硫酰氯电池用途广泛,涵盖各类工业及民用领域,优点如下:该电池是一次电池中能量密度最高的电池之一;工作电压较高且稳定,标称电压为 3.6 V;使用温度范围较宽,工作温度为-4085;储存性能好,自放电率极低,年自放率低于 2%,储存寿命可以超过 10 a;结构可靠性好,采用全密封结构,能杜绝泄漏的发生。同一尺寸的锂亚硫酰氯电池一般有能量型和功率型两种,能量型的容量是功率型的 1.5 倍,但最大放电电流只有功率型的 1/12。需要注意的是,低温场景下,锂亚硫酰氯电池的内阻大幅上升,会导致容量大幅降低(-40 下甚至降到额定容量的 2/3 以下);电池的输出电压下降,大电流时下降更为明显;电池的最大输出电流也会降低。锂锰电池以锂为负极,MnO2为正极。锂锰电池低倍率和中倍率放电性能好,价格便宜,安全性能好,与常规电池相比有竞争力,是商品化较早的一种锂电池。锂锰电池的工作原理是:在非水锂电池体系中,负极溶解的 Li+迁移穿过电解质,进入正极 MnO2的晶格中,生成 MnO2(Li+);Li+覆盖了MnO2颗粒,随着放电的深入,Li+的数量逐渐增加,固态锂逐渐减少,直至消失。进入 MnO2晶格中的 Li+在充电时无法再脱出(还原),故锂锰电池只能为一次电池。锂电池的制造工艺流程:电极浆料制备,主要是将电极活性材料充分混合后形成浆料;涂覆,将制备的浆料按电池BATTERY BIMONTHLY第 53 卷照指定厚度均匀涂覆到集流体(铝箔或铜箔等)上,并烘干溶剂;极片冲切,将制作的极片冲切成指定的尺寸形状;叠片,将正负极片、隔膜装配到一起,完成贴胶后,形成极芯;组装软包装电池,将生产的极芯装入已经冲好坑的铝塑膜,并完成顶封、侧封等(需留一个口注液),形成未注液的软包装电池;注液,将指定量的电解液注入软包装电芯内部,电芯要经过烘烤,并且在低湿度环境下进行注液操作,水分含量不宜过多;电池密封。3 电池检测技术锂一次电池经过繁琐的工艺流程生产出来后,在出厂前,还要进行各种检测。为确保电池能顺利出厂,对电池的检测需依据相关标准进行电气性能测试、机械性能测试、环境性能测试和安全性能测试等。检测全部合格后,才能正式出厂。3.1 电气性能检测技术电气性能检测的主要技术参数包括开路电压、负载电压、脉冲性能、钝化性能和标称容量等。开路电压是评判电池电芯是否优良的重要指标之一,通过电池的开路电压,可以判断电池的荷电状况。负载电压是扣除电源内阻压降的实际输出电压。内阻越小,输出电压越大;反之,则越小。脉冲性能是指电池提供脉冲电流的能力。钝化性能是指电池长时间不使用,极板上的部分活性物质会失去活性。常使用高温加速方法对该性能进行测试。电池的标称容量是指电池存储电量的大小。检查放电方法,即全放电容量测试,是目前检测电池容量最直接、最可靠的方法。3.2 机械性能检测技术机械性能检测包含对引出端强度、振动性能、冲击性能、重物撞击性能、自由跌落性能以及机械挤压性能等的检测。引出端强度检测的目的是确定引出端以及引出端与试样主体的链接在正常装配或修理过程中承受轴向拉力的能力。引出端强度检测适用于带金属焊片类型的原电池,主要是测试引线(引出端)焊接和密封的牢固性。检测方法是进行 20 N 的 Ua1-拉力和 Ua2-推力试验,试验通过即为合格。振动性能检测主要考量锂一次电池在运输过程中受到振动时的情形。检测方法是在被测电池上施加振幅为 0.76 mm 的简谐振动,最大波长为 1.52 mm,振动频率在 10 55 Hz 间,以 1 Hz/min 的速度增加后,再从 55 Hz 返回 10 Hz,应在(905)min 内完成。静置 1 h 后,若电池不起火、不爆炸、不漏液,则检测合格。冲击性能检测主要考量锂一次电池在运输过程中遭受冲击时的情形。检测方式是将被测电池水平放置在测试台架上,在垂直方向施加规定的半正弦冲击波,冲击结束后,检查电池的绝缘性能。若电池不漏液,外观完好,不起火、不爆炸,则检测合格。重物撞击性能检测主要考量电池受撞击时的稳定性。检测方法是将不同质量的重物通过自由落体从不同高度与电池碰撞,观察检测结果,对电池进行评估。自由跌落性能检测主要考量锂一次电池在运输、携带过程中应对外力作用的抗冲击能力。检测方法是在(205)的温度下,将包装好的锂一次电池(试样)分别从棱、角、面,从所需要测试的高度(电池最低点)自由跌落至不同材质的底板上。观察 90 min,电池不冒烟、不起火、不爆炸、不漏液,则检测通过。机械挤压性能检测主要考量电池在使用、运输、储存或处理家庭废物时遭受外力挤压的情形。挤压试验时,将被测电池置于两平面中间,通过台钳或液压臂施加挤压力,挤压持续到设定的力值,挤出物被释放,电池不起火、不爆炸,则检测通过。3.3 环境性能及安全性能检测技术环境性能检测包含热冲击、高温高湿和盐雾等项目。热冲击试验通过温度循环的方法来评价电池的整体密封性以及内部的连接状况,用于检测电池在极端条件下的性能稳定情况。高温高湿试验是模拟产品存储、工作的温湿度环境,检验产品在此环境下一段时间后所受到的影响是否在可接受范围内,以判断电池产品的使用适应性及耐久性。盐雾试验主要考核电池的耐盐雾腐蚀质量。安全性能检测包含高空低压模拟、外部短路、强制放电和热滥用等项目。高空低压模拟是电池模拟低压(高海拔)试验,被测样品在负压下进行测试,以判断安全性。外部短路试验是模拟外部短路的危害。强制放电是评估电池承受强制放电的能力。热失控引起起火、爆炸等是锂离子电池常见的安全问题,因此,热滥用试验可检验电池的安全性。4 电池失效分析技术及废旧电池处理锂电池的失效主要有性能失效和安全性失效两种。性能失效是指锂电池的性能达不到使用要求,包括容量衰减或跳水、高低温性能衰减、循环寿命短、易自放电和倍率性能差等;安全性失效是指锂电池由于使用不当或者滥用而出现安全风险,包括漏液、短路、热失控、膨胀形变和析锂等。当前国际通行的废旧电池处理方式主要是固化深埋、存放于废矿井、回收利用。前两种方式一般是运往专门的有毒、有害垃圾填埋场,但容易造成资源浪费;而回收处理法可以实现资源的再利用,同时可防止对环境的损害。常用的回收处理法有常压热处理法、真空热处理法和湿处理法等。5 结语电能计量设备用电池检测技术从当下的实际发展及应用现状出发进行编写,为当前电能计量设备用电池的检测提供借鉴和参考,并为促进电能计量设备用电池的质量安全发挥积极作用。该书适用于电能计量设备的研发、设计、分析及电池选型人员,也可供电池检测人员阅读参考。书名:电能计量设备用电池检测技术作者:徐英辉ISBN:9787121323454出版社:电子工业出版社出版时间:2021-07定价:￥45.00 元收稿日期:2023-01-10