锂金属电池的锂含量
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某次课上，有位老师问了我一个问题“我们关心锂电池的安全，无外乎关心锂电池材料的本质安全性及其含有的能量。对于锂离子电池来说，额定能量要么是直接在锂离子电池上标记出来，要么通过现成的计算公式可以计算出来；对于锂金属电池，我在电池上没有看到锂含量的标记，相关的规定中也没有给出计算方法。锂含量作为锂金属电池分类管理的一个重要判据，我怎么能够知道呢？”
这是一个很有意思的问题！
我去检索了相关规定，确实没有找到锂含量的计算方法；从常见的锂金属电池照片上也没有锂含量的信息。
为了搞清楚这个问题，我们首先来看一看航空运输法规中都哪些地方出现了锂含量。
一、频繁出现的“锂含量”
在国际民航组织《危险物品安全航空运输技术细则》中，无论是锂金属电池作为货物进行航空运输，还是旅客携带锂金属电池乘机，都涉及到锂金属电池的锂含量规定，且锂含量是锂金属电池分类管理的一个很重要的判据。
本条目适用于锂金属或锂合金电池。本包装说明的结构如下：
— IA节适用于锂金属含量超过1克的锂金属电池芯和锂金属含量超过2克的锂金属电池，这些电池芯和电池必须划入第9类并须受本细则所有有关要求的限制；
— IB节适用于锂金属含量不超过1克的锂金属电池芯和锂金属含量不超过2克的锂金属电池，但其包装数量超过第II节表968-II允许的限值；和
— 第II节适用于锂金属含量不超过1克的锂金属电池芯和锂金属含量不超过2克的锂金属电池，且其包装数量也不超过第II节表968-II允许的限值。
锂金属电池包装说明PI969和PI970中也有类似的锂含量规定。
如果设备含有锂电池芯或电池，这些电池芯或电池必须遵守以下限制：
1) 对于锂金属电池芯，锂含量不得超过1 克；
2) 对于锂金属或锂合金电池，锂的总含量不得超过2 克；
3) 对于锂离子电池芯，瓦时额定值不得超过20 Wh；
4) 对于锂离子电池，瓦时额定值不得超过100 Wh；
在旅客可以携带登机的物品中，尤其是锂金属电池作为动力的设备，我们也随处可见锂含量的限制要求：
1）便携式医疗电子装置：内含不超过2 克锂金属电池芯或电池；内含超过2 克但不超过8 克锂金属电池。
2）电子烟：对于每一锂金属电池，锂含量不超过2 克。
3）便携式电子装置：对于每一锂金属电池，锂含量不超过2 克。
4）保密性设备：对于锂金属电池芯，锂含量不得超过1 克；对于锂金属电池，锂的总含量不得超过2 克。
二、锂含量的定义
联合国《关于危险货物运输的建议书-规章范本》中，特殊规定SP188中出现了“锂含量”的解释，具体内容如下：
“As used above and elsewhere in these Regulations,“lithium content” means the mass of lithium in the anode of a lithium metal or lithium alloy cell.”
联合国《关于危险货物运输的建议书-试验和标准手册》中规定，
锂含量：适用于锂金属电池或锂合金电池和电池组，电池的锂含量是指金属锂或锂合金电池阳极中锂的质量。对于原电池，锂含量是在电池未放电的状态下测量的；对于充电电池，锂含量是在电池完全充电的状态下测量的。
电池组的锂含量等于电池组各个电池的锂含量克数之和。
这里，一定要注意哦！敲个小黑板！
锂金属电池或锂合金电池没有说一定是原电池，也可能是充电电池。两种类型的电池其测量状态不同。
三、实际情况
我们先来看一些锂金属电池的实例
图1 常见的锂金属电池
从产品照片上，我们能够看到锂金属电池的标称电压、容量等信息，唯独没有锂含量。
图2 CR123A锂金属电池
图2 CR123A锂金属电池的电压3V，容量1500mAh。
图3 锂亚硫酰氯电池
图3 锂亚硫酰氯电池，目前比较火的一种高能量锂金属电池，电压7.2V，容量6500mAh。
特别注意，一般锂亚硫酰氯电池的标称电压为3.6V，图3电池的电压为7.2V，编号ER26500S-2S，其中2S表示两节电池芯串联，而从外观上很像一个单芯电池。
从上面的图中可都没有找到锂含量，前面也说了，也没有规定给出计算方法。而规定中又要求知道锂含量是多少？这可怎么办？
图片来自网络
为了解决这个问题，行业内一般有两种做法：一个是声明法，一个是经验法。
所谓声明法，就是锂金属电池生产企业自我声明或告知锂含量，其他机构或个人采信这一数据。
所谓经验法，就是结合以前声明的数据，对类似锂金属电池的锂含量做个类推，具体做法多种多样，比如拇指大小的纽扣型锂金属电池，多认为其锂含量不超过0.3克；还有采取称重的方法，认为锂含量不超过锂金属电池质量的1/10。
除了上面的方法，还有没有一些方法知道锂含量呢？
四、测量锂含量的一些方法
从锂含量的定义来看，说的直白一点，就是金属态或合金态锂的质量。既然是质量，称量出来就好了。实际上，锂含量测定的一个很重要的方法就是称重。
01
解剖称重法
该方法简单粗暴，打开锂金属电池，取出金属锂，然后称重即可。
该方法精度高，但实验要求高。由于金属锂遇水剧烈反应，危险性高，解剖需要无水无氧环境，需要经验丰富的人员操作，既要保证安全，还要防止短路。
就目前从事危险货物航空运输鉴定的机构多不具备此条件。
02
仪器测量法
未放电状态下锂金属电池中的离子态锂含量很少，所以可以通过强酸溶解锂金属电池的电极材料和电解液，然后再利用仪器测量溶液中的锂离子含量，即可以得出金属锂含量的近似值。
该方法结果相对精确，环境要求不高，但是对仪器要求高。
就目前从事危险货物航空运输鉴定的机构多不具备此条件。
五、简易快速的锂含量近似计算法
锂金属电池制造商在生产过程中，为了确保锂金属电池的容量不低于标称容量，会在达到标称容量的基础上适当提高锂含量，一般增加10%左右的金属锂。这也给精确计算锂含量带来了困难。
在航空运输过程中，并不一定需要精确知道锂金属电池的锂含量，而是能够知道锂含量的最大值或是最大值的近似值，便可以在分类管理上起到指导作用。
1.单个锂金属电池的锂含量
金属锂的理论比容量大概为3750 mAh/g。通过理论比容量，可以得出单个锂金属电池锂含量的近似计算公式：
单个锂金属电池的锂含量：M=Q/3.75/90%≈0.3*Q
M:锂金属电池的锂含量，单位为克；Q为锂金属电池的容量，单位为Ah
举例：
如果电池上标记有容量（mAh），可以将该数据除以1000再乘以0.3，即可得到该电池锂含量的克数。比如：电池容量为4600mAh，则单个锂金属电池的锂含量就是4600mAh ÷1000 X 0.3 =1.38 克，是小于2克的，符合安全标准。
2.电池组的锂含量
电池组的锂含量等于电池组各个电池的锂含量克数之和。
如果知道了锂金属电池组电池芯的个数n，再乘以电池芯的锂含量，就可以得出电池组的锂含量，M总=nXM。
注意：由于计算公式中单个锂金属电池锂含量增加10%，对于多芯电池组，按此公式得到的近似计算值会进一步偏大。
举例：
图3中锂亚硫酰氯电池，电压7.2V，容量6500mAh，是两个电池芯串联而成。
M总=2X6.5 X 0.3克 =3.9克，明显大于2克，此类锂金属电池能量很高，需要特别关注。
该近似计算方法可以快速得出锂含量最大值，虽然精确度不是很高，但简便易得，可以很好地核对锂金属电池的锂含量。安全管理上考虑它的最大值，具有一定的实际应用价值。
六、一些思考
01
为什么锂金属电池要用锂含量来分类管理，而不是用额定能量？
2006年以前，国际运输规则里的锂电池仅指锂金属电池，且被划分为4.3项（这个历史我们以后再说）。
锂金属电池的安全需要考虑金属锂的风险、电解液等材料的风险、含有的能量的风险以及风险缓解措施。从法规上，可以看出一开始考量锂金属电池的危害时，主要还是考虑的金属锂，那么在选择一个核心衡量要素时，锂含量定是首选。通过我们上面介绍的公式，知道锂含量，也可以换算出锂金属电池含有的理论能量，所以锂含量与安全紧密关联。
对于锂离子电池来说，锂离子不存在遇水释放可燃性气体的问题，那就剩下能量这一因素（不考虑电解质等材料的易燃性），所以锂离子电池多用额定能量。
当然，上面的解释也比较片面，不然后来锂电池也不会被分为第9类，至于第9类合不合理，也是有一些异议的。
02
为什么锂金属电池上不标识出锂含量？
产品的标识具有一定的标准要求，不是想标就标，也不是一定不能标。
首先，锂离子电池的额定能量标识。
GB 31241-2014《便携式电子产品用锂离子电池和电池组的安全要求》中要求标出“额定容量”，没有强制要求标出“额定能量”。
《信息技术-便携式数字设备用移动电源通用规范》也就是俗称的充电宝国标要求标出“电池或电池组额定能量或容量”，这里可以看出需要标示出“额定能量”，这也是标准制定过程中大家努力的结果。
其次，锂金属电池的锂含量标识。
行业标准《锂金属蓄电池及电池组总规范》中规定：“对于电池，额定容量、额定能量、型号和正负极性应在本体上标明，其余标识允许在包装或规格书上标明。”这里需要标示出额定能量。
就目前小编查到的资料，没有说需要标识锂含量的。
小编考虑锂含量不是锂金属电池的性能参数，在有限的空间里，厂家都会选择不标识。对于不可充电的锂金属电池，随着电量的损耗，金属锂也在不停损耗，是一个变化值。
03
锂金属蓄电池-可充电锂金属电池怎么办？
在联合国危险货物运输专家分委会上已就该问题进行过讨论，虽然没有明文规定出来，但是原则上需要满足可充电电池测试与锂金属电池的要求，采取最严格的规定来对待。
假设，有一个10000mAh的锂金属电池，标称电压3.6V，其额定能量为36Wh，锂含量约为3克。
大家可以考虑一下此锂金属电池的包装要求。
04
锂金属电池制造的充电宝？
《关于民航旅客携带“充电宝”乘机规定的公告》（中国民用航空局公告2014年第2号）、《关于重申民航旅客携带“充电宝”乘机规定的公告》（中国民用航空局公告2015年第8号）要求：充电宝需要标记标识清晰，且额定能量=标称电压*标称容量。充电宝要么标着额定能量，要么标记清晰的标称电压和容量。
假如出现锂金属电池的充电宝，依照充电宝按备用电池管理，此充电宝应该满足锂含量限量的规定。
假设，有一个10000mAh的锂金属蓄电池，标称电压3.6V，其额定能量为36Wh，锂含量约为3克。
额定能量不超过100Wh，但是锂含量超过2克。这样的充电宝、锂金属电池不应该允许旅客携带登机。
值得注意的是：1）锂金属电池从外观上并不是明显异常锂离子电池，尤其新出现的一些锂金属电池。2）我们从锂金属电池的外表，可以看出标称电压、容量，甚至额定能量的标识，但是具有这些标识的电池，并不一定是锂离子电池。
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