我們的電池安全、耐用、可靠嗎？從手機電池安全事件到波音787電池事件，人們前所未有地在關注電池問題。的確，巨大的移動數碼和通信設備的需求、電動工具的快速發(fā)展，電動汽車和節(jié)能環(huán)保對大容量電池的需求，使整個電池行業(yè)欣欣向榮。但鋰電池充電時產生的枝晶會使電池短路，目前尚未徹底解決其安全問題。如何通過嚴格可靠的測試，控制并保證鋰電池的安全運行并提升其工作壽命，不僅是從事鋰電池開發(fā)和生產的工程師面對的挑戰(zhàn)，也同樣是對產品設計工程師在選用電池和設計產品用電特性時，需要充分考慮的問題。艾德克斯IT6412的鋰電池安全測試方案，可以從循環(huán)充放電、保護性能以及電池保護板性能等各個方面測試便攜式以及可穿戴設備的鋰電池，既安全又高效。
一、枝晶效應
圖一、鋰電池工作的原理
鋰電池是通過鋰離子的傳遞來完成充放電的。如圖一所示，鋰離子電池由正極，負極，隔膜，電解質組成?，F(xiàn)在鋰聚合物電池常使用高分子膠體取代常規(guī)液體電解質，比傳統(tǒng)鋰離子電池更輕薄，能量密度更高，安全性更好。
鋰離子電池的充電和放電可以通過嵌入和脫嵌兩個過程來完成（如圖二所示），在放電時，鋰離子從正極材料中移出至電解液，再像水進入海綿一樣的進入到負極材料，這個過程被稱為脫嵌。而在充電狀態(tài)下這個過程則相反，稱之為入嵌。上圖中左為鋰電池的入嵌過程，右為脫嵌過程。
圖二、鋰離子電池的嵌入和脫嵌
所謂枝晶效應，就是在充電過程中，鋰離子從正極脫嵌，穿越隔膜，跳進電解液后，在充電器給予的外電場作用下向負極運動，依次進入石墨組成的負極，在負極表面形成碳鋰化合物。當充電速度過快時，鋰離子還來不及鉆進負極的小洞穴，就在負極附近的電解液中聚集起來，一些靠近碳負極的鋰離子就會與電子結合，從而變成金屬鋰。如此這般，時間一長，金屬鋰就會在負極堆積起來、形成像樹枝一樣的晶體，大家習慣地稱呼這種樹枝狀晶體為“枝晶”。
那么，出現(xiàn)枝晶的后果是，枝晶大到一定程度會刺穿正負極之間的隔膜，一旦刺穿，電池會立即短路，輕者電池報廢了事，重者發(fā)生爆炸。
二、IT6412的充放電安全測試保障電池壽命
鋰離子電池充電分為三個階段（如圖三所示）：一、預充電階段：小電流預充電；二、電流控制階段：達到最小充電電壓后，以額定電流恒流充電；三、電壓控制和充電結束階段：當電池兩端電壓接近控制電壓時改為恒壓充電。通常當充電電流降為1/10C(典型值80mA)時，認為接近充滿，可以終止充電。
鋰離子電池充電要求保證終止電壓精度在1%之內。鋰電池的放電測試則需要電池在不同的溫度下進行電池放電試驗，觀察電池變化，記錄電池的容量。小功率鋰電子尤其適合如圖三所示的線性充電，待充電電池的電壓往往在3V-4.2V之間，電流通常在0~2A之間，艾德克斯IT6412精度高，響應速度快，尤其適合小功率鋰電池的充放電測試。
圖三:鋰電池充電曲線
艾德克斯IT6412是一款專為便攜式電池測試設計的雙極性電源，電流可實現(xiàn)正負極變化，具有獨特的電池充放電模式，可觀測電池的電壓、電流和電池已充電容量。不僅如此，IT6412還有示波功能，用戶可通過外部存儲設備，清晰、便捷的保存當前電池放電的曲線。
圖四、充電終止電壓與電池壽命的關系
如圖四所示，充電終止電壓越高，電池壽命越短。在4.2V附近，1%的電壓誤差會導致壽命變化1/3。
圖五、充電終止電壓對容量的影響
如圖五所示，鋰電池1%的終止電壓的變化，會使容量改變8%，因為過充電會使容量看起來更大，欠充電會使容量得不到充分的利用。因此，終止電壓的精度是一個非常重要的參數。IT6412電壓解析度1mV，并具有萬分之二的電壓精度，電池測試功能可以精確設置充電截止電壓、充電時間和充電容量，防止過充對電池壽命的損壞。
圖六: IT6412實現(xiàn)電池充放電
單臺IT6412雙通道雙極性電源可同時實現(xiàn)輸出電流和吸收電流的功能，并且有高低兩個電壓量程，如圖六所示，電壓電流量測完全可以滿足小型鋰電池的充放電需求，并且一機多用，為電池研發(fā)和測試工程師大幅度提高工作效率，短時間內快速掌握在各種情況下鋰電池的工作情況。
三、測試鋰電池保護板
鋰電池保護板是對串聯(lián)鋰電池組的充放電保護，保護電池不過放、不過充、不過流，還有就是輸出短路保護。IT6412因其獨特的電流雙極性設計，另有可設置0~1Ω 可變的輸出阻抗，因此可以模擬鋰電池用以測試鋰電池保護板性能。
鋰電池保護板對測試設備的精度要求極高，如過充電壓保護測試，需要模擬電芯的電壓精度到達幾個mV。保護電路板的空耗電流也僅有幾個uA 。同樣，響應時間也是電池保護板測試的重要指標。
根據國標GB/T18287-2000的測試要求，測量電池在過沖、過放和短路情況下保護電流的變化情況和響應時間。由于在過保護瞬間和短路響應瞬間時間非常短，通常都在百微秒級別，因此，對于測試的電源響應速度也是有著嚴格的需求。艾德克斯IT6412電源是一款高精度的線性電源，具有超快動態(tài)響應，50%-100% LOAD 恢復到50 mV時響應時間小于50us，如圖七所示。完全滿足鋰電池ms級別的響應測試要求。
圖七：IT6412 動態(tài)響應時間曲線圖
四、總結
艾德克斯IT6412雙極性高速線性直流電源不僅可以測試電池，還可以模擬電池，超快的動態(tài)響應可以測試保護動作時間，同時具有快速的A/D采樣，并且電流顯示解析度可達100nA，完全滿足微安級別的空耗電流測試要求。一臺儀器可實現(xiàn)多種用途， 精簡測試設備，優(yōu)化測試流程。
圖八：艾德克斯明星產品——IT6412雙通道雙極性直流電源