研究背景

電池安全不僅涉及生產和使用，運輸也是極為重要的一環。在聯合國制定的《危險貨物一覽表》中，鋰離子電池屬于運輸危險品。以2016年為例，僅國內就發生多起鋰離子電池運輸安全事故，盡管沒有造成人員傷亡，但損失和影響仍不可忽視：

2016年一月十九日，京港澳高速1780路段一輛裝有鋰離子電池的貨車發生火災。事故無人員傷亡，原因不明。

2016年四月十六日晚上10時許，位于深圳市龍崗區平湖嘉湖路輔城坳路段，一輛裝有900多斤手機廢舊電池的貨車，在行駛過程中突然著火，消防人員趕到現場，經過兩個小時將火撲滅，事故未造成人員傷亡。

2016年九月二十四日18時許，深圳福田口岸大樓一箱行車記錄儀電池起火，事發時火勢較大，但很快被撲滅。事件沒有造成人員傷亡。

目前大部分電池公司在電池運輸時提前將電量調整至30%-70%SOC，而ICAO(InternationalCivilAviationOrganization)則是建議的電池運輸電量上限不高于30%SOC。英國華威大學和捷豹路虎公司研究了磷酸鐵鋰離子電池(LFP)在低SOC下的儲存和安全特性，發現即使30%SOC電池仍存在較大安全風險，并建議電池在運輸時應調至0%SOC，成果詳見TransportationSafetyofLithiumIronPhosphateBatteries-AFeasibilityStudyofStoringatVeryLowStatesofCharge,ScientificReports,2017,7:5128.

研究亮點

以磷酸鐵鋰離子電池(LFP)為例，實驗證實即使將電池電量調整至30%SOC仍存在安全風險，并建議運輸環節應將電池SOC調低至0%。該研究對電池生產運輸具有重要的指導意義。

圖文淺析

實驗所用電池為磷酸鐵鋰軟包電池，容量分別為8Ah和40Ah。工作電壓區間為2.3-3.4V，所有測試在25℃恒溫箱中進行，阻抗測試在電池50%SOC進行。

表1.UN38.3所要求的鋰離子電池運輸需通過的安全測試項。

鋰離子電池被歸類為危險物品。如表1所示，UN38.3明確含義了鋰離子電池運輸要通過的安全測試項，包括不同海拔測試、溫度循環測試、振動、沖擊、外短路、過充電和強制放電。此外，還對不同容量(Wh)的電池包裝進行了嚴格的限定。

表2.2004-2011年鋰離子電池在特種運輸過程中發生的典型安全事故。

表2列舉了2004-2011年鋰離子電池在特種運輸過程中發生的典型安全事故及原因分析。不難看出，外短路在事故原因中占據很大比重，因此后續作者在評估不同SOC磷酸鐵鋰離子電池安全性時選擇了外短路這一測試方法。

表3.以電池2.3V狀態為基準，電池放電至不同電壓時所擁有的容量。

圖1.電池分別1C放電至2.3V、2.0V、1.0V和0.5V存儲不同時間電壓隨時間變化。

作者分別用1C將電池放電至2.3V、2.0V、1.0V和0.5V，隨后將不同電壓的電池存儲，記錄電壓隨時間的變化曲線。如表3所示，若以電池2.3V狀態為基準，將電池從2.3V到2.0V的放電量僅占總能量的0.3%，從2.3V到2.0V的放電量僅占總能量的0.9%。同等放電狀態下SOC絕對值均高于SOE絕對值，這重要是SOC(stateofcharge)和SOE(stateofcharge)的計算方式不同所致：SOC是電池剩余電量百分比，而SOE(stateofcharge)是剩余電量且和電壓有關。圖1b可觀察到電池在1.0V和0.5V存儲過程發生了電壓擾動。但由于電壓擾動持續時間很短(約7min)，因此其對總過程影響不大。電池0.5V存儲30天后發生功能失效，其后續存儲實驗中止。

圖2.電池不同電壓存儲容量隨時間變化曲線。

如圖2所示，電池不同電壓儲存15天容量均出現降低，且電壓越低容量下降速度越快;電池2.3V、2.0V、1.0V和0.5V存儲15天容量損失率分別為4.6%、12.6%、15.8%和30.1%。電池0.5V在存儲30天后容量下降率超過35%，由于可能存在析銅的風險，后續繼續存儲實驗被迫中止。電池1.0V存儲15-30天容量繼續下降，隨后的30-90天容量幾乎保持不變。電池2.0V和2.3V存儲15-90天容量呈波動狀態，存儲90天后容量分別下降11.1%和上升2.6%。電池在2.3V存儲容量變化似乎較為“詭異”，但該現象在其他研究中也被報道分析過，值得注意。[1-2]。

圖3.不同電壓電池存儲不同時間后在50%SOC的電化學阻抗譜，實部和虛部單位均為？。

如圖3所示，電池0.5V存儲30天純歐姆阻抗新增量最大(3m？)，2.3V存儲純歐姆阻抗新增量最小(1m？)。存儲45天，1.0V、2.0V和3.0V電池的純歐姆阻抗較存儲30天均顯著增大。電池2.3V存儲60天的純歐姆阻抗較存儲45天有顯著降低，純歐姆阻抗幾乎和初始值相當，與容量變化曲線相對應。注：作者用EDX分析了不同電壓電池存儲后極片中銅元素含量，發現并未出現析銅現象，但具體結果文中未展示。以上結果表明磷酸鐵鋰離子電池在電壓2.0V(-0.4%SOC)-2.3V(0%SoC)長時間室溫存儲老化率低，具有較高的穩定性。但電池在該電壓(SOC)范圍是否確實適合運輸還需進一步通過安全測試驗證。

圖4.電池外短路裝置圖。

如表2所示，外短路是鋰離子電池在特種運輸過程中發生安全事故的重要原因之一，因此作者選擇外短路測試來評價不同電壓(SOC)下磷酸鐵鋰離子電池的安全性，所用外短路測試裝置如圖4所示。外接電阻為0.1？，實驗在室溫腔體中進行。

圖5.不同SOC電池外短路測試結果。

圖5所示為磷酸鐵鋰軟包電池在0%SOC(2.3V)、5%SOC、30%SOC、60%SOC和70%SOC外短路測試結果。0%SOC(2.3V)電池僅出現6℃溫升，5%-70%SOC電池外短路過程出現火星，臨近Tab部位的鋁塑膜出現部分著火現象。其中，30%SOC、60%SOC和70%SOC電池由于短路電流過大導致Tab熔斷，電量并未完全釋放。以上結果充分證明ICAO所推薦的30%SOC電池運輸電量仍可能存在安全風險，而電池在0%SOC(2.3V)不僅能很好保持電池的壽命同時能確保運輸的安全性。