锂离子蓄电池安全使用白皮书
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2024-06-15
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电动自行车用锂离子蓄电池安全使用白皮书
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在中国，近十年，电动自行车每年销量超过 3000 万辆，到今年年底社会保有量
将达 3 亿辆。其应用场景多变，包括极寒、极热、跌落、碰撞、涉水、淋雨等条件；
同时在使用过程中，还存在长时间充电、使用劣质充电器充电、私自改装等各种异常
使用场景。这些情况均容易引起安全事故。还有的把电动自行车存放于室内、楼道、
占据消防通道，如果在这些情况下发生起火事故，将造成较大的损失。
电动自行车以蓄电池作为辅助能源，蓄电池目前主要采用铅酸蓄电池和锂离子蓄
电池两种形式。2019 年4月15 日正式实施的国家标准 GB 17761-2018《电动自行车
安全技术规范》，规定了电动自行车整车质量不得超过 55 kg，推动了众多的企业开
始选择锂离子蓄电池作为电动自行车的辅助能源。
锂离子蓄电池具有能量密度高、电压高、寿命长、工作温度范围宽、无重金属污
染等优点；同时随着锂离子蓄电池价格进一步降低，消费者对续航里程要求不断提高，
高容量的锂离子蓄电池或将成为电动自行车最佳的选择。
目前，关于电动自行车用锂离子蓄电池的安全研究和相关标准还较少。因此，组
织撰写一本供电池生产企业、电动自行车生产企业、经销商和消费者都能了解的《电
动自行车用锂离子蓄电池安全使用白皮书》是有必要的。本书从“锂离子蓄电池”“锂
离子蓄电池充放电机理”“锂离子蓄电池热失控机理”“安全防控机制”“企业规范”“应
用规范”六个方面，全面论述锂离子蓄电池在设计、制造和使用方面需要注意的事项，
期望能对行业的规范发展起到引导作用。
本书在编写过程中，征求了有关电动自行车整车生产企业、电池生产企业、大专
院校、科研院所、检验机构以及中国电池工业协会等有关行业组织的意见，并得到了
他们的积极回复，在此一并表示感谢。同时，随着技术不断提升和市场应用逐步扩大，
我们将适时对本书进行补充和完善。
目录 3
4.1.1 电芯材料 ……………………………………………………………… 16
4.1.2 电芯设计 ……………………………………………………………… 17
4.1.3 电芯制造 ……………………………………………………………… 18
4.2.1 结构设计 ……………………………………………………………… 19
4.2.2 电池组生产和测试 …………………………………………………… 20
4.2.3包装运输和贮存 ……………………………………………………… 20
4.3.1充电安全策略 ………………………………………………………… 22
4.3.2 放电安全策略 ………………………………………………………… 22
4.3.3 安全防护功能设计 …………………………………………………… 22
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4.3.4 PCB布局设计 ………………………………………………………… 22
4.3.5 关键元器件选型建议 ………………………………………………… 22
4.3.6 EMC等抗干扰设计 …………………………………………………… 22
4.3.7均衡策略 ……………………………………………………………… 22
4.4.1 充电器设计 …………………………………………………………… 23
4.4.2 充电器选择 …………………………………………………………… 23
4.4.3 充电器贮存、运输的要求 …………………………………………… 23
6.1.1贮存 …………………………………………………………………… 27
6.1.2安装 …………………………………………………………………… 27
6.1.3运输 …………………………………………………………………… 27
目录 5
6.2.1 禁止篡改 ……………………………………………………………… 27
6.2.2 贮存 …………………………………………………………………… 27
6.2.3充电器选择 …………………………………………………………… 28
6.3.1 充电器选择 …………………………………………………………… 28
6.3.2 用户使用指南及注意事项 …………………………………………… 28
6.4.1运营管理要求 ………………………………………………………… 28
6.4.2交流充电桩要求 ……………………………………………………… 29
6.4.3充（换）电柜要求 …………………………………………………… 29
6.4.4充电堆要求 …………………………………………………………… 29
6.5.1售后服务网点要求 …………………………………………………… 30
6.5.2电池组处理规范 ……………………………………………………… 30
6.6.1电池组发生高温，四种方式进行处理 ……………………………… 30
6.6.2应急处置其他注意事项 ……………………………………………… 30
电动自行车用锂离子蓄电池安全使用白皮书
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▶
直接将化学能转化为电能的基本单元装置，包括电极、隔膜、电解质、外壳和端
子，并被设计成可充电。（可称为电芯）
▶
含有锂离子，能够直接将化学能转化为电能的装置。该装置包括电极、隔膜、电
解液、容器和端子等，并被设计成可充电。
▶
将一个或多个蓄电池按照电压、尺寸、极端排列、容量和倍率特性连续作为电源
使用的组合体。
▶
单体蓄电池内部的组合部分，包含正极板、负极板和隔板的组合。
▶
由集流体和活性物质构成的电池的电极。（可称为极片）
注：锂离子蓄电池极板的集流体通常为铜箔和铝箔。
▶
通常指含有在放电时发生还原反应活性物质的电池组件。（可称为正极片）
▶
通常指含有在放电时发生氧化反应活性物质的电池组件。（可称为负极片）
▶
由可渗透离子的材料制成的，可防止电池内极性相反的极板之间接触的电池组件。
（可称为隔离层、隔膜）
▶
含有可移动离子具有离子导电性的液体或固体物质。（可称为电解液）
注：锂离子蓄电池电解质通常为含有锂盐的有机溶液。
▶
将蓄电池内部部件封装并为其提供防止与外部直接接触的保护部件。
▶
作为正负极的引出端，与壳体连接或直接引出，承担外部与电极间电流导通的作
用。
注：锂离子蓄电池正极耳通常采用铝金属材质，负极耳通常采用镍或铜金属材质。
▶
允许气体仅朝一个方向流动的电池组件。
注：锂离子蓄电池通常在特定部位还有防爆阀，一定压力下可定向泄压。
注：锂离子蓄电池通常在特定部位还有翻转阀，一定压力下弹起连通正负极。
▶
BMS 指电池管理系统（Battery Management System），可以控制蓄电池输入和输
出功率，监视蓄电池的状态（温度、电压、荷电状态），为蓄电池提供通信接口的系统。
（俗称保护板）
▶
PCB 指印制线路板（Printed Circuit Board）。按预定设计电路，采用电子印刷术
制作，提供元器件之间电气连接导电图形的绝缘基材，作为电子元器件电气连接的载
体。
术语 7
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▶
用于电池组进行充电或者放电的接口，既可以充电与放电同口，也可以分口。
▶
用于固定或防护单体蓄电池的零部件，可以是塑胶件，也可以是金属件，对单体
蓄电池及 BMS 起固定、防护及支撑的作用。
▶
电池组上用于连接单体蓄电池的部件，一般采用金属镍、铜镀镍以及铝等金属材
料。
▶
SOC 指荷电状态（Stage of Charge），当前蓄电池中按照规定放电条件可以释放
的容量占可用容量的百分比。
▶
蓄电池内部正极与负极间发生短路的现象。
▶
蓄电池放热连锁反应引起的电池自温升速率急剧变化的过热、起火、爆炸现象。
▶
电池系统内由单体蓄电池热失控引发的其余单体蓄电池接连发生温度上升的现
象。
▶
以车载蓄电池作为辅助能源，具有脚踏骑行能力，能实现电助动或 /和电驱动功
能的两轮自行车。
锂离子蓄电池 9
1. 锂离子蓄电池
20 世纪中期，科学家开始研究含锂的蓄电池，希望降低电池重量，提升容量。
1973 年埃克森研究和工程公司的 M. 斯坦利·威廷汉设计了一种以锂金属为负极的锂
电池，1985 年加拿大公司 Moli Energy 商业化了此类锂电池，但由于锂金属负极多次
充放电形成锂枝晶刺穿隔板，会引起安全隐患，因此以金属锂为负极的锂电池不能循
环使用，目前只作为一次电池使用。1980 年法国科学院 M. 阿曼德提出“摇椅电池”
的模型，正极采用锂化合物，负极采用嵌锂材料；1980 年牛津大学的约翰·B. 古迪纳
夫发现钴酸锂可以作为正极；1985 年旭化成公司的吉野彰发现石油焦可以作为负极，
并以钴酸锂为正极、石油焦为负极构造了锂离子蓄电池。因为所述贡献，约翰·B. 古
迪纳夫、M. 斯坦利·威廷汉和吉野彰获得了 2019 年诺贝尔化学奖。
锂离子蓄电池于 1990 年商业化后，由于其综合性能远高于铅酸电池、镍镉电池
和镍氢电池，而且不含重金属，环境友好，引起了广泛关注和大量使用，目前手机、
笔记本电脑等 3C 类消费品均使用锂离子蓄电池。我国锂离子蓄电池产业起步于 20
世纪 90 年代末期，但发展极快，目前产量全球占比已经超过 60%，远高于其他国家，
尤其是近年在环保压力下，我国大力发展绿色牌照的新能源汽车，均采用了锂离子蓄
电池。根据欧洲专利局与国际能源署联合发布的报告显示，我国锂离子蓄电池发明专
利申请数量呈现快速增长态势，2018 年申请发明专利 876 件，但仍低于日本的 2339
件和韩国的 1230 件，申报情况还需要进一步重视。
电动自行车是随着我国自行车出行升级快速发展起来的，每年销量超过 3000 万
辆，电动自行车还包括电助力自行车，目前普遍还是采用价格便宜的铅酸蓄电池。但
近年随着锂离子蓄电池的价格不断降低，搭载锂离子蓄电池的电动自行车产销增长迅
速。尤其是我国锂离子蓄电池产业链齐全，技术领先，未来锂电化、智能化、互联化
的电动自行车将是更多人的选择。
电动自行车用锂离子蓄电池安全使用白皮书
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2. 锂离子蓄电池充放电机理
锂离子蓄电池是个复杂的化学体系，包括电极、隔板、电解质、外壳和极端，利
用锂离子作为导电离子，在正极和负极之间移动，通过化学能和电能相互转化实现充
放电。电极的反应如下 (以炭为负极，LiMn2O4为正极 )：
正极：
LiMn2O4⇌Li1-xMn2O4+xLi++xe-
负极：
6C+xLi++xe-⇌Li1-xC6
总反应：
6C+LiMn2O4⇌Li1-xMn2O4+Li1-xC6
图1. 圆柱形锂离子蓄电池结构
放电过程中：在电池内部锂离子从负极脱出、穿过隔板，嵌入正极中，在电池外
部电子由外电路迁移到正极，驱动用电设备工作。
充电过程中：在电池内部锂以离子形式从正极脱出，由电解质传输穿过隔板，嵌
入负极中，在电池外部电子由外电路迁移到负极。
锂离子蓄电池热失控机理 11
3. 锂离子蓄电池热失控机理
锂离子蓄电池本质是个储能的元器件，同时含有易燃的有机电解质，因此如果设
计、制造或使用不当，可能会导致安全事故发生。包括设计时安全余量考虑不足，制
造过程中粉尘、水分和极板对齐度控制不到位；也包括挤压、针刺等机械滥用，内短路、
过充电、过放电等电滥用，过热等热滥用均有可能引起热失控发生。
图2. 热失控诱因总结
热失控状态，能量快速释放，同时锂离子蓄电池内部发生较多副反应，产生大量
热量，会引起冒烟、起火，甚至爆炸。因此了解热失控的机理、引发原因及防控机制
尤为重要。锂离子蓄电池发生热失控的过程中，从低温到高温排序，将依次经历：
等过程。（见图 3）
标签： #安全
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电动自行车用锂离子蓄电池安全使用白皮书2序在中国，近十年，电动自行车每年销量超过3000万辆，到今年年底社会保有量将达3亿辆。其应用场景多变，包括极寒、极热、跌落、碰撞、涉水、淋雨等条件；同时在使用过程中，还存在长时间充电、使用劣质充电器充电、私自改装等各种异常使用场景。这些情况均容易引起安全事故。还有的把电动自行车存放于室内、楼道、占据消防通道，如果在这些情况下发生起火事故，将造成较大的损失。电动自行车以蓄电池作为辅助能源，蓄电池目前主要采用铅酸蓄电池和锂离子蓄电池两种形式。2019年4月15日正式实施的国家标准GB17761-2018《电动自行车安全技术规范》，规定了电动自行车整车质量不得...
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