UL 1973 电芯与模组结构 | 绝缘配合爬电距离

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一句话总结：ANSI/CAN/UL 1973:2022 (Third Edition) 第 7.12 节覆盖七类电化学体系电芯结构设计，锂离子电芯需满足 Annex E 最严格安全测试并内置绝缘隔膜、负极容量冗余、隔膜关断五重安全机制，钠离子/钠-beta/液流/镍氢/电容器/再利用电芯各有专属测试路径，统一标记体系实现全生命周期溯源。

1. 电芯类型分类与适用标准

UL 1973 第 7.12 节覆盖了多种电化学体系的电芯，每种体系有各自的结构要求和测试标准：

电芯类型	章节	适用标准	关键特征
锂离子电池	7.12.2	Annex E	热失控风险，最严格测试要求
钠离子电池	7.12.10	Annex E	类似锂电池，安全性较好
钠-beta 电池	7.12.5	Annex B	高温运行，陶瓷电解质
液流电池	7.12.6	Annex C	液体电解质，泵循环系统
镍氢电池	7.12.1	UL 2054 + 修改	成熟技术，低风险
电化学电容器	7.12.9	UL 810A	高功率密度，低能量密度
再利用电芯	7.13	UL 1974	退役电芯的二次利用

2. 电芯类型分类图

3. 锂离子电芯安全设计特征（Section 7.12.3）

锂离子电芯是 UL 1973 中要求最严格的一类。第 7.12.3 节规定了五项必须的设计安全措施：

3.1 绝缘布置

要求	说明
正负极间绝缘	足够的爬电距离和电气间隙
极片间绝缘	防止因振动或热膨胀导致极片接触
外壳与内部绝缘	防止外壳带电

3.2 负极电极尺寸

要求	说明
负极过盈设计	负极面积必须大于正极面积
过盈量	确保在所有 SOC 范围内负极为锂离子嵌入提供充足位置
目的	防止析锂（锂枝晶）导致内短路

3.3 极耳绝缘

要求	说明
极耳绝缘带/涂层	正极耳与负极片之间的绝缘保护
耐温等级	绝缘材料需耐受电芯最高工作温度
位置	极耳引出部位的所有潜在接触点

3.4 隔膜关断功能/保护涂层

要求	说明
关断功能	隔膜在高温下孔隙闭合，阻止离子传输
关断温度	低于热失控起始温度
保护涂层	陶瓷涂层或其他提高热稳定性的表面处理
目的	在异常升温时自动终止电化学反应

3.5 隔膜强度与热性能

要求	说明
机械强度	抵抗穿刺和拉伸变形
热收缩率	高温下纵向和横向收缩率需满足限值
孔隙率均匀性	确保电流密度均匀分布
厚度一致性	防止局部电流集中产生的热点

4. 锂电芯安全设计特征示意图

5. Annex E 电芯测试程序

5.1 基础测试程序（E1–E9）

UL 1973 Annex E 规定了锂离子和钠离子电芯必须通过的电芯级安全测试：

编号	测试项目	测试目的	通过标准
E1	短路测试	验证在外部短路时无火灾/爆炸	无火灾、无爆炸
E2	撞击测试	模拟运输中的机械冲击	无火灾、无爆炸
E3	跌落测试	验证搬运中跌落的耐受能力	无火灾、无爆炸
E4	加热测试	验证高温环境下的安全性	无火灾、无爆炸
E5	过充电测试	验证充电控制系统失效时的安全性	无火灾、无爆炸
E6	强制放电测试	验证反接/深度放电时的安全性	无火灾、无爆炸
E7	挤压测试	验证机械挤压下的结构完整性	无火灾、无爆炸
E8	低气压测试	模拟航空运输的低压环境	无火灾、无爆炸
E9	抛射物测试	验证电芯级抛射物危险性	无抛射物飞出特定范围

5.2 补充/替代测试程序（E10–E12）

Annex E 的 E10–E12 提供了更严格的电芯评估方案：

E10: 挤压测试（增强版）

参数	规格
挤压力	电芯重量 × 1000，或变形 15%
停止条件	达到力值、变形量或电压降至 OCV 的 1/3
判定	无火灾、无爆炸

E11: 冲击测试

参数	规格
峰值加速度	125–175 g
脉冲波形	半正弦或其他规定波形
判定	无火灾、无爆炸

E12: 综合环境测试

测试项目	条件
振动	0.8 mm 振幅，10–55 Hz 扫频
温度循环	+85°C / -40°C，10 个循环
低气压	11.6 kPa，持续 6 小时

6. Annex E 测试流程对比

测试维度	E1–E9（基础）	E10–E12（补充）
覆盖广度	9 项核心测试	3 类增强测试
挤压要求	基础挤压（E7）	增强挤压 E10：1000× 重量/15% 变形/1/3 OCV
冲击要求	无专项冲击测试	E11：125–175g 峰值冲击
环境适应性	加热 E4 + 低气压 E8	E12：振动 + 温度循环 + 低气压组合
适用场景	基础认证	需要更高安全保证的应用

7. 电芯标记要求（Sections 44.15–44.16）

7.1 标记内容

UL 1973 第 44.15–44.16 节要求每个电芯必须清晰标记以下信息：

标记项	要求	说明
制造商识别	制造商名称或代码	唯一标识生产厂家
型号	电芯型号	制造商定义的电芯型号
日期代码	最大跨度 3 个月	10 年内日期代码不重复循环
工厂代码	多工厂生产时的区分	识别具体生产工厂

7.2 日期代码规则

要求	说明
最大跨度	连续 3 个月内生产的电芯可使用同一日期代码
不重复周期	同一日期代码在 10 年内不得重复使用
可追溯性	通过日期代码能追溯到具体生产批次

8. 再利用电芯要求（Section 7.13）

对于从退役电池系统中回收利用的电芯，需要额外满足：

要求	标准
评估标准	UL 1974（再利用电芯评估标准）
测试要求	所有适用的 Annex E 测试
一致性	再利用电芯批次内的一致性验证
标记	需额外标注"再利用电芯"标识

工程师提示： 电芯级别的合规是 UL 1973 认证的起点而非终点。以下几点建议供参考：（1）电芯选型时应优先选择已通过 Annex E 测试的电芯供应商，可大幅降低系统级测试的风险；（2）锂电芯的五项安全设计特征（7.12.3）不仅影响安全，也影响电芯的循环寿命——例如负极过盈设计不足会导致早期容量衰减和析锂；（3）隔膜关断功能是防止热失控扩大的最后一道防线，应要求供应商提供隔膜关断温度、热收缩率等关键参数；（4）电芯标记的合规性容易被忽视，但日期代码的可追溯性在现场事故调查中至关重要。

关键事实

UL 1973 Section 7.12 覆盖七类电化学体系：锂离子（7.12.2）、钠离子（7.12.10）、钠-beta（7.12.5）、液流电池（7.12.6）、镍氢（7.12.1）、电化学电容器（7.12.9）和再利用电芯（7.13），每种体系有独立的适用标准附件（Annex B/C/E 或 UL 2054/810A/1974）。
**锂离子电芯五重安全设计特征（Section 7.12.3）**包括：正负极间绝缘布置、负极面积大于正极（防析锂）、极耳绝缘带/涂层、隔膜高温关断功能/陶瓷涂层、隔膜机械强度与热收缩率控制。
Annex E 电芯测试分两级：E1-E9 为基础测试（短路、撞击、跌落、加热、过充电、强制放电、挤压、低气压、抛射物），E10-E12 为增强替代方案（增强挤压 1000x 重量/15% 变形、125-175g 冲击、振动+温度循环+低气压组合）。
**电芯标记（Section 44.15-44.16）**要求制造商识别、型号、日期代码（最大跨度 3 个月，10 年内不重复）和工厂代码，确保全生命周期可追溯性，在现场事故调查中至关重要。
**再利用电芯（Section 7.13）**必须通过 UL 1974 评估标准、全部适用 Annex E 测试、批次内一致性验证，并额外标注"再利用电芯"标识。

常见问题

Q1: 电芯已通过 Annex E 测试，系统级是否还需要再做机械测试？ 需要。Annex E 是电芯级测试，系统级还需满足 Sections 28-37 的机械强度测试。两次测试的目的不同——电芯级验证单体安全性，系统级验证模组集成后的整体结构完整性。

Q2: 隔膜关断功能是如何工作的？ 隔膜在正常工作温度下孔隙开放，允许锂离子自由通过。当温度升高到关断温度（低于热失控起始温度），隔膜孔隙闭合，阻止离子传输，电化学反应自然终止。这是防止热失控扩大的最后一道防线。

Q3: 钠离子电池和锂离子电池在 UL 1973 中的测试差异大吗？ 框架相似但关键差异在于：钠离子半径（102pm）大于锂离子（76pm），电极材料膨胀幅度更大，长期循环结构稳定性需额外关注。测试沿用 Annex E 框架但需注明 Annex E 适用条件。

Q4: 日期代码 3 个月跨度和 10 年不重复如何同时满足？ 例如使用"年份后两位 + 季度"编码（如 24Q1），每个季度约 3 个月，10 年内 2024Q1 和 2034Q1 之间已有 10 年间隔，满足不重复要求。具体编码方案由制造商自行定义。

Q5: 电化学电容器是否适用 Annex E 测试？ 不适用。电化学电容器按 Section 7.12.9 引用 UL 810A 标准，其测试框架与电池不同，重点在高功率充放电安全性而非热失控风险。

参考文献

ANSI/CAN/UL 1973:2022 (Third Edition), Section 7.12 — Cells, Section 7.13 — Repurposed Cells
ANSI/CAN/UL 1973:2022 (Third Edition), Section 44.15–44.16 — Cell Marking
ANSI/CAN/UL 1973:2022 (Third Edition), Annex E — Cell Tests (E1–E12)
UL 1974 — Standard for Evaluation for Repurposing Batteries
UL 2054 — Standard for Household and Commercial Batteries
UL 810A — Standard for Electrochemical Capacitors