锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、平均输出电压高、可快速充放电以及对环境友好等优点，在移动电话、便携式计算机、摄像机等便携式设备中具有广泛的应用前景。我国是锂离子电池的最大市场国，以手机为例，随着国家网络基础设施建设的完善升级，我国智能手机用户规模呈稳中上升趋势，2020年国内用户达8.74亿人，2021年用户突破9亿人，同比增长9.2%。但是锂离子电池在方便人们生活的同时，也带来了安全隐患。2016年10月11日，三星Note7手机由于电池设计原因导致爆炸事件发生，紧急宣布召回Note7；2018年，日本松下由于笔记本电脑安全性问题紧急召回笔记本电脑超116万部。锂离子电池安全性问题的主要原因包括以下几个方面：锂离子电池内部结构设计不合理，导致短路、过充、过放等问题；锂离子电池制造材料质量差，电解液成分不合理，电极材料缺陷等制造过程问题；锂离子电池使用环境问题，如高温、高湿、低温等；锂离子电池的使用和充电管理不当，例如长时间过度放电、过度充电等。因此，针对于便携式锂离子电池的安全性问题，本文主要研究国内便携式锂离子电池安全测试标准。从电池单体、电池组、电池保护系统3个层面，电气安全、机械安全、环境安全3个角度对GB标准、IEC标准、UL标准以及SJ团体标准的安全测试项目进行分析，旨在辨析国内外便携式锂离子电池使用范围、测试项目、测试方法以及测试对象等所存在的差异性。我国首部锂离子电池安全国家标准GB31241-2014《便携式电子产品用锂离子电池和电池组安全要求》于2015年8月1日实施。主要对便携式办公产品（笔记本电脑、平板电脑等）、移动通信产品（手机、蓝牙耳机等）、便携式音/视频产品（便携式电视机、照相机等）以及其他便携式产品（数码相框、游戏机等）进行安全性测试。GB/T18287-2013对移动电话用锂离子蓄电池及蓄电池组和其他移动通信终端产品用锂离子电池及电池组安全性测试进行了规定。此外还有相应的国内团体标准SJ/T11778-2021对便携式家用电器用锂离子电池和电池组提出了安全性要求。国内相应的便携式锂离子电池安全标准如表1所示。国外锂离子电池安全性标准主要由国际电工委员会制定的IEC标准为主，是目前国际上应用最为广泛的标准。IEC62133主要规定了便携式密封二次电池在预定用途和可预见滥用情况下的安全性能的要求和测试方法，欧洲区域标准（EN标准）同等采用了IEC相应的标准。美国保险商实验室UL作为非常权威的第三方实验室，拥有自己健全且广泛认可的标准体系。在便携式锂离子电池安全测试方面，UL1642和UL2054是除IEC62133外最具权威的标准。国外相应的便携式锂离子电池安全标准如表2所示。根据安全测试角度的不同，本文将从电气安全（外部短路、过充电、过放电等）、机械安全（振动、跌落、挤压等）以及环境安全（低气压、温度循环、热滥用等）对国内便携式锂离子电池安全测试标准进行对比，其主要测试项目如表3所示。根据表3的对比可知，国内标准测试项目相较于国外更加全面，国内便携式锂离子电池安全测试标准主要的测试对象由电池单体、电池组以及电池组保护系统。从电池测试层级来看，由于锂离子电池组是通过单体电池串并联形成的组合体，因此国内外对电池组的安全性更加重视；从测试项目的种类来看，由于在日常使用中，过充电、过放电等电气滥用则是引发锂离子热失控的主要原因，因此国内外对电气方面的安全性测试数量则更多。短路（shortcircuit）试验，其目的是通过模拟电池在使用过程中可能遇到的外部短路情况，通过将电池的正负极直接接触或者通过导体连接直接短路，使电池内部释放大量能量，产生高温、爆炸等现象来测试锂离子电池的安全性能，国内外短路试验的测试方法如表4所示。在进行外部短路试验时，规定了常温（20℃±5℃）外部短路试验与高温外（55℃±5℃）部短路试验，SJ/T11778和GB/T18287在进行外部短路试验时，仅对电池单体进行高温短路试验。GB/T18287在对电池组进行短路保护试验时，规定其正负极短接1h，这与国内标准的电池组外部短接时间不同。SJ/T11778规定单体电池测试外部电阻为60mΩ±20mΩ。GB31241则对电池单体进行了高温和常温外部短路试验。IEC62133在对电池组进行常温外部短路试验时，若电池组短路电流迅速下降至最低稳态条件后，电池组应继续测试一小时结束，要求不起火、不爆炸。UL2504在进行高温外部短路试验时与UL1642不同，规定高温温度在55℃±2℃的范围内。UL2504和UL1642并未对外部短接的时间作出规定，而是将电池爆炸、起火、完全放电或电池外壳温度恢复至环境温度±10℃作为截止条件。过充电（overcharge）试验是为了评估电池在过充条件下的安全性能和稳定性能，因为在过充状态下，电池内部化学反应会变得不稳定，可能会导致电池过热、泄露、爆炸等安全问题。国内外标准在进行过充试验时，规定的试验温度都是20℃±5℃。根据测试内容来看，GB31241对电池组进行了不同形式的过充电试验（过压充电、过流充电）。国外标准IEC62133单独规定了恒压连续充电测试，以制造商规定的电压和电流连续充电7天，以此来模拟电池在实际应用中的充电过程，检验电池在长时间充电过程中的安全性能；UL2504单独规定了强制过充电试验，来模拟在日常生活中充电器故障等情况导致的过充，其充电电流相较于其他标准则更为严苛。国内外标准过充电测试方法如表5所示。注：Icr推荐充电电流；Icm最大充电电流；Icp过流充电保护电流；It参考试验电流;Ucr推荐充电电压；Uup充电上限电压；Un标称电压;Umax最大充电电压；n表示电池组内电池或电池并联块的串联级数，下同。过放电（overdischarge）试验通过反向充电或恒流放电等试验方法来检测电池过度放电时的安全性能，以此来评估电池在SOC为0%的状态下继续放电的安全性[7]。国内外标准在进行过放试验时，规定试验温度为20℃±5℃。GB31241测试的种类相较于其他标准更多。国外UL标准针对过放试验则与其他标准不同，而是通过80mΩ±20mΩ的铜线将0%SOC状态下的电池与100%SOC状态下的电池串联，使所得到的电池组短路，以此来检测电池组在过放条件下的安全性能。从测试类别及数量来看，国内标准试验要求更多，针对性更强；从测试的严酷等级来看，UL标准的过放电试验则更加严苛。过放电试验的对比结果如表6所示。注：Idm最大放电电流；Idp过流放电保护电流；Idr标准放电电流；It参考试验电流；Udo放电截止电压；Uend放电终止电压；Uup充电上限电压振动（vibration）试验，在便携式锂离子电池安全测试中，其主要测试产品共振以及日常生活中发生的随机振动的现象。在振动试验中，国内标准和IEC标准试验方法基本相同，其频率范围为7~200Hz，对三个互相垂直的方向每个方向进行3h的振动测试，振动次数为12次共计36h。而UL标准则规定频率范围为10~55Hz，在振动时间上，UL标准则规定振动时间在90min至100min内。从测试范围来看，国内标准对电池单体和电池组都进行了振动试验，而IEC标准和UL标准仅对电池组进行了试验，具体试验方法如表7所示。跌落（drop）试验，其目的是为了测试电池在意外坠落情况下的耐受能力，该试验可以模拟电池在生活中可能经历的意外情况，如手机从手中滑落，笔记本电脑从桌面掉落等情况。在跌落试验中，GB31241将电池单体和容量为1000mAh以上的电池组从1m的跌落高度自由落体至混凝土板，而对于容量1000mAh以下的电池组，规定跌落高度为1.5m。SJ/T11778对于手持式家用电器产品（如理发器、剃须刀、面部清洁仪等）规定跌落高度为1.8m，其他样品则为1.0m。GB/T18287对电池单体规定跌落高度为1.0m，对电池组规定高度为1.5m，且跌落次数都为6次。对于圆柱形和纽扣型电池，GB31241和SJ/T11778规定跌落4次，而对于方型和软包电池则规定跌落次数为6次。IEC62133和UL2504对跌落试验的观察时间进行了规定，分别为1h和6h，而国内标准并未给出规定，具体试验方法如表8所示。挤压（crush）试验，主要评估锂离子电池在外部挤压力下的安全性能。通过模拟锂离子电池在日常使用或运输中可能受到的挤压力，通过试验来检测锂离子电池是否在外部挤压的情况下有火灾或爆炸风险。在挤压试验中，国内标准和IEC标准只对电池单体进行挤压试验且试验方法基本相同，都是垂直于电池极板方向进行挤压，当压力达到最大值时释放，要求电池不起火、爆炸，其挤压试验电池放置示意图如图1所示。而UL标准则对电池组进行试验，其挤压力为13.0kN±1.0kN，对于方形电池要求其宽面和窄面都进行一次挤压试验，要求电池不起火、爆炸，具体试验方法如表9所示。重物冲击（impact）试验，可以评估电池外壳或内部结构在冲击力下的耐久性，以及电池是否会发生漏液、泄露或爆炸等安全问题。该测试通常通过一定重量的物体（如钢球等）从一定高度落下，以模拟电池在运输或使用中可能遭受的冲击。在进行重物冲击试验时，其试验工装示意图如图2所示。国内标准和UL标准都规定了重物冲击试验，国内标准对电池单体进行试验，而UL标准则对电池组进行了试验。GB31241规定方形和软包电池只对宽面进行试验，而SJ/T11778则只对方形电池进行了检测。国外UL标准在进行重物冲击试验时，要求方形电池的宽面和窄面都经受一次冲击试验，要求电池不起火、爆炸。具体试验方法如表10所示。低气压（lowpressure）试验，主要模拟锂离子电池在高海拔、飞机运输途等低气压环境下的使用情况。由于低气压环境下，锂离子电池内部气压降低，可能会导致电池起火、爆炸等情况，所以通过低气压实验以此来评估锂离子电池的安全性能。在进行低气压试验时，国内标准与UL1642仅在试验温度上有所差别，具体试验方法基本相同，都是在11.6kPa大气压（模拟海拔15240m）持续搁置6h，要求电池不起火、爆炸等。从测试范围来看，仅GB/T18287和UL1642对电池单体和电池组进行试验，GB31241和SJ/T11778测试范围则更加广泛，具体试验方法如表11所示。温度循环（temperaturecycling）试验主要评估锂离子电池在极端温度（高温、低温）条件下的安全性能。由于锂离子电池在极端温度（高温、低温）条件下工作时，电池内部化学反应变化，可能导致电池结构破坏、电解液漏液等情况，甚至会引起火灾或爆炸等安全隐患。在进行温度循环试验时，国内安全标准试验方法基本一致，都对电池单体和电池组进行了相应的试验。相较于UL标准，国内标准最高温度上限则要更高，在进行温度循环时，UL标准则单独规定了中间过度温度20℃±3℃，并在该温度下保持2h，在试验结束后要将电池储存24h后进行安全性能检查。从极端温度保持时间来看，国内标准要求则更为严苛，需要在极端温度下保持6h，要求电池不起火、爆炸等。具体试验方法如表12所示。加热（heating）试验主要评估电池在高温环境下的热稳定性，通常将锂离子电池放置在试验箱内，采用恒温加热的方法使试验箱内温度升高至极端温度后，保持一定时间，来观察电池是否会发生热失控现象。在进行加热试验时，国内标注和IEC标准基本相同，以5℃±2℃的温升速率升温至130℃±2℃，并保持30min，而UL标准则规定在最高温度下保持10min，要求电池不起火、爆炸。UL1642则对不同类型的电池规定了相应的最高温度，对于制造商规定温度超过100℃的电池，则应该在130℃±2℃的基础上，额外增加30℃±2℃，要求电池不起火、爆炸。具体试验方法如表13所示。本文总结了国内外便携式锂离子电池安全测标准，从电气安全、机械安全、环境安全3个方面比较了各个标准的试验条件及其参数。从具体的测试项目来看，国内外标准更加注重电气方面的安全性，国内标准在电气方面的测试项目要求更多，测试层级更加广泛，且针对电池组保护系统GB31241标准要求的测试项目要多于其他标准。在机械安全方面，国内外标准都规定了振动和加速度/机械冲击测试项目，UL2054对于电池组外壳则单独规定了稳定力测试项目。在机械安全测试里，UL2054测试项目更加全面。在环境安全方面，国内外标准都对加热试验进行了规定，GB31241充分考虑了人们的生活习惯，单独规定了洗涤试验，SJ/T11778则单独规定了浸水试验。从测试项目来看，国内测试标准相较于国外，测试范围更广，测试对象更全面。（1）国内团体标准主要参考了GB31241，在电气方面为了评估更好地评估电池单体的充电性能、效率、速率和稳定性，可参考IEC62133的恒压连续充电试验，对电池单体的稳定性和安全性进行测试。由于电池在实际使用时，主要通过多个电池单体串并联组成电池组进行工作，其电池组壳体稳定性对于整个电池系统至关重要，国内标准尚未对电池组壳体的稳定力进行试验，应该基于实际应用，调整相关测试项目，以便更好地评估电池组的结构强度、热管理能力和安全性能。（2）在加热、燃烧喷射、挤压和重物冲击等破坏性测试中，国内标准主要对电池单体进行试验，而国外标准则主要对电池组进行试验，为了节省测试成本以及贴合实际应用，可主要针对电池组进行破坏性测试，采用模拟仿真等方法对电池单体进行相关试验，以提高测试效率。
