自放电测试——早期故障检测

引言

在全球能源转型的背景下，锂离子电池已成为电动汽车和储能系统的核心动力源。随着市场对电池能量密度和快速充电能力的要求不断提高，电池的安全性问题日益凸显。近年来，因电池内部缺陷导致的电动汽车起火和储能电站安全事故频发，给行业敲响了警钟。这些安全隐患大多源于电池制造过程中难以避免的内部微短路和材料污染等缺陷。而自放电测试技术正是能够在早期精准识别这些潜在缺陷的有效手段。

本文将简单介绍自放电测试，列举几种测试方法并详细解释恒电位法，最后分析了自放电测试能带来的收益并提及其他应用场景。

自放电测试意义

自放电[1,2]是带电储能装置在未连接任何负载的情况下，随时间推移自然损失电量的现象。自放电机制会将储能装置从高电荷自由能状态转变为低自由能状态（图1）。

图1自放电过程中吉布斯自由能变化的示意图[1]

所有锂离子电池都存在一定程度的自放电，通常每月约损耗1%到5%的电量，这是不可避免的。但当电池内部存在微短路、杂质或结构缺陷时，自放电率会显著增高，这类电池在后期使用过程中出现故障的概率远远大于自放电率正常的电池。因此，通过精确测量自放电率，可以在电池进行组装前有效识别出潜在单体故障电池，避免这些问题电池进入使用环节。简而言之，自放电测试的根本意义在于它是电池一致性和可靠性的关键保障。

自放电测试方法

开路电压法

开路电压法（OCV）是较为传统的测试方法。该方法测量电池在储存期间开路电压的变化，通过电压下降的速率来评估自放电特性。如果将电池比作装水的杯子，测量水位变化即可得到流失的水量，即通过开路电压变化得到电池自放电特性（图2）。

图2开路电压法（水杯模型）示意图

这种方法操作简单，设备成本较低，但所需时间非常长，长时间测试造成的电池仓储成本高，即便可以适当增加储存期间电池所处环境的温度来加速有缺陷电池的自放电过程，测试往往也需要进行数周甚至数月才可获得可靠结果。

恒电位法

恒电位法是更为先进的测试方法。原理是通过恒电位分析仪将直流电源精确匹配到电池的开路电压，然后测量电池的自放电电流。这种方法可以将测试时间缩短至数天甚至数小时。具体的测试方法为，精确控制电压源电压与电池OCV电压相同，此时从电压源流向电池的电流即为电池的自放电电流，根据该电流的测试曲线即可分析电池的自放电特性。简单来说，我们可以把电池比作一个装满水的杯子1，但杯子底部有个细小的洞，会不断往外漏水，漏出的水就相当于自放电电流，恒电位法就相当于用装水量永远与杯子1相同的杯子2去给杯子1倒水，让杯子1永远处于水满的状态，只需要精确测出杯子2往杯子1中倒入的水量即可知道杯子1漏水的水量，即电池的自放电电流。原理可参考图3。

图3恒电位法示意图（水杯模型）

这样解释听起来似乎这种测试方法很简单，但实际操作起来非常复杂，因为电池的电压会不断波动，温度的微小变化，测试环境的细微抖动，都会使电压产生微小变化，而恒电位法需要通过实时检测电池的电压来调整电流，这需要非常高精度和高采样率的恒电位仪，以及能精确调整电流大小的电源，精度往往要求在7位数左右，才能较为精准的得到电池的自放电特性。这意味着，恒电位法是需要额外的设备才能进行准确的测试，当然，这种设备价格通常较为高昂，Keysight的自放电测试仪需要数万美金。但实际上与能够减少的电池存储成本相比，设备的价格就显得不值一提了。同样使用恒电位法的NEWARE自放电仪性能更优异，价格更低。目前已经研发完毕，将很快投入量产。

恒电流法

既然前文提及恒电位法是通过控制电位，测量电流来达到快速测量自放电电流，当然也可以通过控制电流，测量电压变化情况来得到电池的自放电特性。ARBIN的恒电流法就是使用了这种技术，其提出了一种特殊公式，能够避免一些干扰电化学平衡的因素。然而实际操作同样也是需要进行与恒电位法类似的精确控制。

自放电测试能带来什么收益？

这一点是电池厂商真正关注的问题。先说结论，远远大于设备本身的价值。试想如果一家公司生产的电池在后续使用过程中发生事故的概率降低超过百分之90，能带来多大的经济效益？消费者也会更加倾向于选择这类电池，近年因电动汽车电池起火死亡的人数不断增加，消费者相较于早期，也慢慢降低了对纯电动汽车的热情，一些见过事故现场（图4）的人会增大会电池安全的担忧。当然，电池起火事故大部分是由于一些意外碰撞导致，这可以通过增加防撞保护措施来延缓起火，但如果电池本身有问题，即便没有出现意外碰撞，驾驶员正常行驶过程中就突发起火，如果此时不便于停车（如行驶在高速路上），将会造成非常严重的后果。如果能在早期就避免这类故障电池的使用，能让电池获得更高的认可度，从而获取更多的效益。

图4电动汽车起火事故现场

当然，自放电测试还可以运用在除电池生产到组装之间的其他场景。电池在运输过程中，定期的自放电测试可以检测出运输过程的微小磕碰从而产生故障电池。电池组在后续使用过程中，自放电监控功能可以检测电池的状态，提供预警，防止异常电池继续使用。

结论

自放电测试是能够保障电池安全和品质的不可缺少的环节，恒电位法相较于传统的开路电压法有极大进步，不仅能缩短测试时间降低存储成本，还能让自放电测试从抽检到全检，使结果更加可靠。随着人工智能的开发，也有望让自放电测试数据与电池的全生命周期性能关联，构建更加精准的电池健康状态预测模型。

参考文献

[1] Babu B. Self-discharge in rechargeable electrochemical energy storage devices[J]. Energy Storage Materials, 2024, 67: 103261.

[2] Liao H, Huang B, Cui Y, et al. Research on a fast detection method of self-discharge of lithium battery[J]. Journal of Energy Storage, 2022, 55: 105431.

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