電池品質與安全測試的發展與趨勢

發佈:2015-12-14, 週一

綠能產業是當今最熱門的行業之一,相關的研究發展遍及太陽能發電,風力發電,LED照明,燃料電池,油電混合汽車,基礎熱電、光電材料,等等。對於消費性產品來說,電池,是目前儲存能源最重要的設備之一。常見的可充式電池 (蓄電池) 包括鉛蓄電池 (Lead-acid),鎳鎘電池 (NiCd) ,鎳氫電池 (NiMH) ,鋰離子電池 (Li-ion) ,鋰離子聚合物電池 (Li-Poly) 等等。然而,因為這些產品需要在各種不同的環境下使用,使得充電電池有可能在惡劣的環境下被操作。或者容易遭受到落摔、衝擊,更甚至因為與鑰匙、髮夾等導電物放在一起,而造成短路的危險。

因為品質不良或人為不當操作,而造成的燃燒、爆炸意外,屢屢出現在新聞報導中,令大眾因而感到惶恐。如今,除了這些消費性產品外,電動車、電動機車、飛機、航空器,等等需要大型電池的產品,往往搭載更先進,儲存能量更多的電池。如何開發效能更高的電池,並同時兼顧安全性,是目前科學家積極研究的重點。

電池安全性法規

為了因應這些可能的風險,各國政府紛紛制定相關法規,來規範電池產品的設計及生產品質,並提早發現任何可能潛在的危險。目前,各國的法規與標準有:

全球 CB: IEC 62133:2002; 危險物品運輸試驗標準手冊 UN 38.3 (UNDOT)

美洲 UL: UL 1642 (電池芯) UL 2054 (電池封裝), UL 2580 (電動車電池), SAE J2464 J2929 (電動車、油電混和車)

歐盟 CE: EN 62133:2003

日本 PSE: DENAN Ordinance Article 1, Appendix 9; IEC 62133:2002; JIS C8712:2006; JIS C8714:2007

韓國 KC: Self-Regulatory Safety Confirmation, Annex 05

澳洲 C-Tick: AS/NZS CISPR 22:2009

泰國 TISI: TIS 2217-2548

巴西 ANATEL: IEC 61960 (性能測試); IEC 62133 (安全測試)

南非 SABS COC: CISPR 22 Class B; CISPR 24, IEC; 61000-3-2, IEC; 61000-3-3

沙烏地阿拉伯 SASO: IEC 60950-1:2005; SASO 2204; SASO 2203; SASP 573; SASO 182; SASO 1062

其中,IEC/EN 62133 法規,因為囊括了電池芯與電池封裝的測試,廣為各國法規所參考。法規內容規範了電池產品生產品質檢驗,運輸過程中可能發生的情況,使用者可能產生誤用的情況。並定義主要的安規測試項目:

可正常使用狀況 (Intended Use)

低功率長時間充電測試 (Continuous Low Rate Charge),震動測試 (Vibration),封裝外殼高室溫壓力測試(Moulded Case Stress),溫度循環測試 (Temperature Cycling)

可預知的誤用狀況 (Reasonably foreseeable Misuse)

誤安裝 (Incorrect installation),外部短路 (External Short Circuit),自由落下 (Free Fall),衝擊測試 (Mechanical Shock),熱誤用 (Thermal Abuse),電池芯破裂 (Cell Crushing),低壓環境測試 (Low Press),過衝測試 (Overcharge),強迫放電 (Forced Discharge),電池芯快充保護測試 (Cell Protection)

Battery Safety Test

電池安全檢測

然而,即使在這些法規的安規測試之下,偶爾還是會出現意外。對於廠商來說,往往造成鉅額的賠償責任。因此,如何在新型電池的研發階段,便能夠嚴謹地建立測試、檢驗制度,確保電池的效能、品質、安全性,對研究者,開發商,製造廠,組裝廠來說,是刻不容緩的投資。

勢動科技是熱分析儀器的專業代理商,提供不同應用領域的使用者,多樣化、多功能的選擇。在電池的安全測試、效能測試部分,英國著名的電池分析儀器廠商 Thermal Hazard Technology (THT) 的可靠性加速測試量熱儀 (Accelerating Rate Calorimeter, ARC),讓使用者可以利用這種儀器,對電池做加速效能分析,與加速失效模擬加速量熱儀是70年代由陶氏化學公司所設計的儀器,在其位於應英國的化工廠發生爆炸意外後,成就了這個儀器的商業化。ARC 是為了讓研究者能安全地在實驗室中,以加速老化方式,模擬危險物品和化學反應中的放熱失控行為。對於這種模擬試驗,ARC 的量熱儀技術提供最佳的絕熱過程控制 (adiabatic control),讓使用者可以獲得最精確的測試結果。關於更多 ARC 加速老化分析過程,請參閱本文「HWS過程中,ARC能看到些什麼?

THT ARC Accelerating Rate Calorimeter

THT 的 ARC 可靠性加速測試量熱儀

在實際的操作中,量熱儀的溫度,可以始終追隨樣品的溫度變化。因此 ARC 對於樣品的自放熱與升溫的情況,它能夠模擬實際環境中,電池的真實反應。當 ARC 工作在等溫模式時 (Isothermal Mode),可以展現很高的靈敏度與穩定性。同時,ARC 也能同步量測壓力。最重要的是,它可以容納很大的電池 (最大的樣品室內部尺寸達到 Φ65cm × 50cm)。

ARC 獨一無二的動態範圍設計,讓這個儀器能量測電池非常小的熱能釋放,並具備量化失控性爆炸的能力。這些操作對於考量電池的運作,也相當重要。在所有廠牌的量熱儀中,THT 的 ARC 量熱儀,是世界上唯一能承受電池化學爆炸反應的量熱儀,讓研究者能夠在安全情況下,研究電池的效能並執行失效測試。ARC 是測試各式充電電池的最佳儀器。

三星的 Galaxy Note 7 在發生爆炸意外前,也都通過安規認證。爆炸事件發生後,讓公司損失慘重,不禁讓人想問,「除了安規測試外,我們還能做些甚麼?