锂电池针刺试验及国标解析：安全要求、测试方法与发展趋势

锂电池针刺试验及相关国标解析

锂电池的安全性一直是行业关注的重点，而针刺试验是评估锂电池热失控的重要测试方法之一。中国国家标准（GB/T）对针刺试验有明确的要求，主要用于模拟电池在极端情况下（如外部穿刺、碰撞）可能发生的安全风险。

一、锂电池针刺试验的目的

针刺试验的主要目的是评估锂电池在受到尖锐物体刺穿时的安全性能，包括是否会发生：

• 起火（燃烧）

• 爆炸

• 热失控（温度异常上升）

该测试主要适用于动力电池、储能电池及部分消费级锂电池，以确保电池在交通事故、机械损伤等情况下不会引发严重安全事故。

二、锂电池针刺试验的主要国标

中国关于锂电池针刺试验的国家标准（GB/T）主要包括以下几项：

1. GB/T 31485-2015《电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法》

• 适用范围：电动汽车动力电池

• 针刺测试方法：

• 使用直径5mm—8mm的不锈钢钢针，按25mm/s—40mm/s的速度刺穿单体电芯。

• 针停留在电池内部，不拔出。

• 观察5分钟，若无起火或爆炸，则视为通过测试。

2. GB/T 31467.3-2015《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统安全性要求与测试方法》

• 适用范围：动力电池模组与系统

• 测试要求：

• 在标准测试条件下，采用类似GB/T 31485的针刺试验方法，评估电池模组的安全性。

3. GB/T 3836.4-2021《爆炸性环境用电气设备 第4部分：本质安全型“i”》

• 适用范围：工业储能、矿用设备等特殊应用场景的锂电池

• 安全性要求：包括对针刺、短路、过充过放等极端条件的测试，以确保安全性。

4. GB 38031-2020《电动汽车用动力电池安全要求》

• 适用范围：电动汽车用动力电池

• 针刺试验关键点：

• 允许测试时的环境温度在20℃±5℃。

• 使用Φ5mm—Φ8mm钢针，速度25mm/s—40mm/s，在最易发生热失控的位置刺穿。

• 通过标准：电池不得发生起火或爆炸。

三、针刺试验的测试过程

1. 准备测试样品：选择符合标准的锂电池单体或模组，确保测试环境符合标准要求。

2. 固定测试环境：环境温度通常要求为20℃±5℃，部分标准要求湿度控制。

3. 选择测试设备：使用符合标准的不锈钢钢针（通常为5mm—8mm直径），配备可调速的穿刺设备。

4. 执行针刺试验：

• 以规定的速度（25mm/s—40mm/s）垂直刺穿电池。

• 针刺后不拔出，观察电池行为。

5. 观察结果：

• 观察5分钟，记录是否发生起火、冒烟、爆炸、热失控等现象。

四、锂电池针刺试验的争议

虽然针刺试验是评估电池安全性的重要方法之一，但在行业内也存在一些争议：

1. 不同电池化学体系的响应差异

• 磷酸铁锂（LFP）电池通常在针刺试验中表现良好，较难发生热失控。

• 三元锂（NCM/NCA）电池在高能量密度的情况下，更容易因针刺引发热失控。

2. 针刺试验的实际应用价值

• 针刺试验模拟的是“尖锐物体穿透电池”场景，但现实事故（如车辆碰撞）更可能导致短路、挤压、机械冲击，未必会直接发生针刺情况。

• 目前部分国际标准（如UN 38.3、IEC 62619）已不再强制要求针刺测试，而是更倾向于过充、过放、热箱等综合安全测试。

3. 替代测试方法的发展

• 随着BMS（电池管理系统）和CTP（无模组技术）等技术的发展，企业更多采用热扩散测试来评估电池安全性，而非单纯依赖针刺测试。

五、如何提高锂电池的针刺安全性？

1. 优化电池材料

• 采用**磷酸铁锂（LFP）**或添加陶瓷涂层，提高隔膜耐热性，降低热失控风险。

• 研究固态电解质，减少短路可能性。

2. 改进电池结构设计

• 优化电芯排布，减少单体电芯短路的影响。

• 采用耐高温电解液、隔膜，提高电池热稳定性。

3. 加强电池管理系统（BMS）

• 通过智能BMS监控电池状态，提前预警过热、短路等异常情况。

• 结合热管理系统（液冷、气冷），防止电池温度过高。

4. 采用新型安全测试方法

• 结合热失控扩散测试、热冲击测试，提供更符合实际工况的安全评估。

六、总结

锂电池的针刺试验是评估电池安全性的关键测试之一，主要用于模拟外部穿刺可能导致的热失控风险。GB/T 31485-2015、GB 38031-2020等国标对针刺测试有明确要求，特别是电动汽车动力电池必须通过此项测试，确保其不会发生起火或爆炸。

然而，随着锂电池技术的进步，行业对针刺试验的必要性存在争议，部分国际标准已弱化针刺测试的作用，而更关注热管理、短路防护、系统安全性等综合测试。未来，提高电池材料、优化电芯结构、增强BMS智能化，将是提升锂电池安全性的主要方向。