电子烟电池倍率放电特性及对气溶胶释放行为影响分析

刘义波，陈志鸿，刘熙，胡静，李峰

广东中烟工业有限责任公司技术中心，广州市荔湾区东沙环翠南路88号 510385

电子烟于2003年被重新发明和定义，现已发展成为一种新的消费方式。它是利用电池供电、将烟草提取物通过低温雾化技术雾化成雾状的液滴供人抽吸的装置，其经典结构主要包括电池、雾化器和溶液腔[1-5]（图1）。近年来爆出了很多化学安全、电池爆炸、电池漏液等安全事故，引起了公众对其质量和功效的担忧[6-9]。

图1 典型的电子烟结构示意图Fig. 1 Structure diagram of a typical electronic cigarette

电池是电子烟的核心部件之一，通常采用锂离子电池或聚合物锂离子电池为电子烟供电。在电池众多的技术指标和性能要求中，电池倍率放电性能的优劣对于电子烟的持续工作能力、安全性以及气溶胶释放的影响很大[10,11]，是电子烟产品设计重点关注的电池技术指标。电池放电倍率是额定容量C与电池放电时间h的比值，代表电池在规定时间内放出其额定容量时所输出的电流值，是电池放电快慢的一种度量，在电池充放电过程中，一般用“nC”表示电流，其中n的单位为1/h，如额定容量为1 000 mAh的电池，以0.1 C充放电速率放电或充电时，其电流值大小为0.1/h×1 000 mAh=100 mA[12,13]。在相同的放电倍率条件下，电池放出的容量越多说明电池倍率放电性能越好。

至今少有文献关注电子烟用电池的质量状况[14]，没有基于电池实际工作输出对电子烟用电池性能进行系统评价，更少有电池性能对电子烟气溶胶释放行为影响的研究。因此，本文收集38种小功率电子烟产品对其电池进行倍率放电性能研究，以及其对气溶胶释放行为影响分析，以期为电子烟行业规范管理和产品设计开发提供一定的参考。

1 电子烟电池收集

本实验通过购买（A）和定制（B）途径共收集了38种小功率的电子烟产品，包括25种可充电电子烟和13种一次性电子烟（详见表1）。

表1 收集的电子烟及对应电池信息列表Tab. 1 List of collected electronic cigarettes and their batteries information

2 测试方法

2.1 电子烟拆解方法

将电子烟样品小心拆解，防止电子烟触发工作和电池短路，记录电池型号、生产批号或条形码和电池额定容量（或额定能量）。

2.2 电池倍率放电性能测试方法

结合锂离子电池强制安全要求国标GB/T 31241—2014[15]，电池充电常用的方法有两种，一种是0.2 C电流充电，一种是1 C电流充电。实验测试发现，0.2 C充电时间较长，部分电池单次充电时长达8 h左右，故本实验电池充电电流为1 C。对收集的电子烟发热丝进行直流电源模拟干烧测试，结果表明当电流达到1.2 A及以上时，观察到发热丝瞬间变红，达到了发热丝雾化所需电流的限值，故将电池放电电流确定为1.2 A。综上，对于可充电电池，按0.2 C放电至3.0 V，搁置10 min再以1.0 C恒流充电至4.2 V，转为恒压充电，直至充电电流小于或等于0.02 C，充电终止，搁置10 min，然后1.2 A放电至3.0 V，按照上述方法进行最高400次循环测试。对于一次性电子烟用电池，搁置10 min后进行1.2 A恒流放电，至3.0 V放电终止。电池倍率放电性能测试采用深圳市新威尔电子有限公司高精度电池性能测试系统（型号CT-3008-20V60A-A）。测试中如发现电池异常发热、爆炸、漏液、鼓包等异常情况即停止测试。

续表1

2.3 电子烟气溶胶释放测试方法

直线型吸烟机，采用CORESTA推荐的抽吸方法（抽吸容量55 mL，抽吸频率30 s，抽吸持续时间3 s）[16]。捕集片采用Whatman 44 mm捕集片（CAT No. 9703-9654），每25口为一组，捕集器抽吸前后的重量差代表电子烟的气溶胶释放量。一次性电子烟抽至电子烟底部指示灯闪即停止抽吸，烟弹式电子烟抽吸前将电池充满电，抽至电子烟指示灯闪即停止抽吸。记录抽吸口数。

3 结果与讨论

3.1 电池倍率放电性能分析

3.1.1 一次性电子烟电池倍率放电性能分析

对13种一次性电子烟用电池进行1.2 A倍率放电的电压-时间曲线见图2。锂离子电池倍率放电一般经历电压下降、电压放电平台和电压再快速下降的过程，平台电压的高低、压降下降趋势、放电平台时长等在不同的电池上表现是不同的，即使额定能量值相同或相近的电池，在倍率放电曲线上差异也比较明显，如A22、A23、A24、B10和B11的额定能量值接近，但是A23和B10的放电平台明显低于A22和A24，持续放电时间方面A22超过了800 s，A23仅为605 s；同样地，A25和A26的额定能量值接近，但是A25在放电平台、持续放电时间方面都明显优于A26，这跟电池本身结构、材料、制造工艺和放电工步设置等密切相关。但是，也有一些电池的倍率特性放电明显异常，如B6、B7、B9和B11和A27的电池放电表现为放电持续时间过短或电压不稳，占一次性电子烟用电池总数的38.5%，其中A27持续放电时间只有7 s，在图上无法标识出来，这会导致抽吸持续时间不够或者雾化器工作不稳定，部分电池的倍率特性质量状况不容乐观。还有部分电子烟的倍率放电电压平台下降较快，如A21和A22，这会导致电池前后输出功率不一致。如果电池倍率放电平台下降过快，还应考虑增加稳压功能，以确保雾化器工作功率稳定。

图2 一次性电子烟电池倍率放电曲线Fig. 2 The rate discharge curves of batteries used in the disposable electronic cigarette

另外，对一次性电子烟用电池，尤其需要关注电池的自放电现象。该现象表现为电池放置时间越久其开路电压越小，电池的自放电效应由电池正极材料、负极材料、隔膜及电解液性能决定，还与生产工艺及生产要求、电池的老化程度、荷电状态（SOC）和电池所处的温度等因素有关系[17]。电池自放电效应会使其倍率放电的时长缩短和倍率放电容量降低，期望电池自放电率越小越好，但是这对工艺水平、材料和成本又密切相关，实际选用时需综合考虑。

在相同的环境和测试工步下，电池倍率放电的平台电压越高、放电平台时长越长，说明电池的倍率特性越好，但在实际电池选型时，并非要求电池倍率放电性能最优，而是电池的性能与产品需求相匹配即可。具体产品设计时，可根据预期的抽吸口数、产品保质期、气溶胶释放稳定性要求、截止电压设定值、静态功耗等要求，结合电池的倍率放电特性和自放电特性，以评估电池是否满足需求。也可根据所选电池的倍率放电特性和自放电特性，并基于产品性能要求，估算产品可抽吸口数，最终实现当抽吸至达到推荐口数或烟油耗尽时，电池放电平台刚好结束或略高的效果。

3.1.2 可充电电池倍率放电性能分析

图3为可充电电池样品1～24的循环倍率放电容量保持率曲线，其中横坐标为循环次数，纵坐标为每次放电容量值与首次放电容量值的比值η，即容量保持率DCRR。可以看出，随着充放电次数的增加，电池的倍率放电容量均发生不同程度的降低，尤其是不同品牌、不同容量的电子烟倍率放电性能差异很大，倍率放电较好的品牌如A4号经过400次循环放电后DCRR值仍达94.0%，而倍率放电性能最差的A19号电池仅放电40次，DCRR值就低于60%。即使额定容量相同或相近的电池，DCRR值差异也很大，这说明电池额定容量并不能真实反映电池循环倍率放电性能，更不能反映电池实际工作寿命。

图3 可充电电子烟倍率放电DCRR变化曲线Fig. 3 The DCRR curves of rate discharge of batteries used in the rechargeable electronic cigarette

表2为上述24种可充电电子烟电池在不同循环倍率放电次数时对应的DCRR值。可以看出，400次循环以后4种电池DCRR值在90%以上，13种电池DCRR值在80%以上，占可充电电池的52%，18种电池DCRR值在60%以上；2种电池不到100次循环DCRR值降至60%以下，6种电池经200次循环后DCRR值降至60%以下。

表2 不同循环测试后电子烟电池容量保持率统计表Tab. 2 List of the DCRR values of batteries used in the rechargeable electronic cigarette under the different cycle tests

另外，在电池倍率放电性能测试中发现了电池放不出电（如B5电子烟电池）、鼓包（如A10电子烟电池）、漏液等异常情况，这都严重影响用户体验，且存在较大的安全隐患。

由于目前还未有专门针对电子烟用电池的强制技术标准或安全要求，无法对电池的质量作出合规性判断。在电动车领域，已经有对所用动力蓄电池的循环寿命和试验方法进行的具体要求[18]，在电子烟领域同样可以借鉴该思路对电池的性能做出约束，如经过300次倍率放电其DCRR值不低于80%[19]，这样可满足电子烟一年左右的使用需求，同时便于指导产品设计、电池质量监管和技术评价等。

3.2 电子烟气溶胶释放行为影响分析

3.2.1 电池性能对抽吸口数的影响

按2.2节的气溶胶释放测试方法对一次性电子烟进行抽吸口数测试，将测试结果与电池倍率放电结果汇总于表3。通过电池倍率放电时间除以3 s（CORRESTA抽吸方法推荐的单次抽吸持续时间），得到的估算抽吸口数与电子烟的实际抽吸口数大致相近，验证了1.2 A倍率放电能更真实地反映电子烟用电池实际工作性能。考虑到一次性电子烟液较充足，说明电池的倍率放电时长决定电子烟的抽吸口数，而不是电池额定容量、型号等指标。从表3中可以看出，与电子烟宣传或标注的抽吸口数相比，实测结果均不达标，电子烟产品的质量应该引起重视。这印证了在电子烟产品抽吸口数设计时，应该重视电池性能，尤其是电池倍率放电特性和自放电特性。

表3 一次性电子烟电池倍率放电及对应的电子烟气溶胶释放结果列表Tab. 3 List of the rate discharge of batteries and aerosol release of the corresponding disposable electronic cigarette

3.2.2 电池性能对电子烟气溶胶释放稳定性的影响

对于连续使用的电子烟产品，电池对气溶胶释放稳定性的影响不容忽视。选取倍率特性较好的C1电子烟电池杆两端进行开孔处理，使得电子烟用电池的正负极露出，便于测得电池两端的开路电压。采用2.3所述方法对其进行气溶胶释放测试。抽吸前需测电池的开路电压，且每组抽吸后对电子烟补加电子烟液，以保证烟液充足且重量相同，测试的结果如图4所示。

图4 电子烟气溶胶释放量与电池电压的关系图Fig. 4 The relationship between the aerosol release amount and battery voltage of electronic cigarette

可以看出，电压越高，气溶胶释放量越大，电压越小，气溶胶释放量越低。电压对气溶胶释放量的影响大致经历四个阶段：第一阶段，即前四组，当电池电压为3.85 V以上时，气溶胶释放量基本保持在每组62 mg以上的平台上，每组平均为63.9 mg；第二阶段，即第五至第七组，当电池电压为3.76 V～3.81 V时，气溶胶释放量基本稳定在每组58 mg的平台位置，每组平均值为58.9 mg；第三阶段，当电压为3.65 V～3.73 V时，气溶胶释放量基本稳定在每组52 mg的平台位置，每组平均值为52.8 mg；第四阶段，当电压低于3.52 V以后，电压不足，此时的气溶胶释放量急剧下降，直至低至3.13 V时，几乎没有气溶胶释放。以第一阶段测得的气溶胶量平均值作为基准，将不同阶段的气溶胶量与之做数学计算，结果表明，第二阶段、第三阶段和第四阶段的气溶胶释放量降幅分别为7.8%、17.4%和40.4%。可以看出，在电池电压较充足（≥3.76 V）时，气溶胶逐口释放量较稳定，但是电压进一步降低时，对气溶胶释放量的影响大。

进一步地，将电池型号和额定容量接近的C1和C2电子烟电池杆分别与C1烟弹组合进行气溶胶释放量测试，抽吸前电池充满电，添加相同重量的同一种电子烟液，二者的倍率放电曲线和气溶胶释放结果分别见图5和图6。可以看出，C2电子烟用电池的倍率放电性能优于C1，对应的每组气溶胶释放量大于后者约20%，且气溶胶释放稳定性也优于后者，前者前四组的气溶胶释放量标准偏差数值为2.5，后者为3.0。

图5 两种电池倍率放电DCRR变化曲线Fig. 5 DCRR change curve of rate discharge of two kinds of batteries

图6 两种电池对应的气溶胶释差异图Fig. 6 T he difference of aerosol release between the two batteries

综上，在电子烟产品设计时，选择合适倍率放电性能电池对于改善烟雾释放量及其稳定性效果较明显，同时在满足产品设计条件下，电池截止电压等电池参数的合理设置，也能改善气溶胶释放稳定性。

4 结论

本论文分析了小功率电子烟的电池倍率放电性能差异，仅通过电池型号、额定容量或额定能量等信息不足以真实反映电池的实际工作性能。在电池性能评价时需重点关注其倍率放电性能、自放电、安全性等关键指标，尽快建立适用于电子烟或新型烟草制品的电池标准或技术规范。

其次，电池作为电子烟的核心元器件之一，其性能对可抽吸口数、气溶胶释放量、逐口释放稳定性影响较明显。应深入开展对电池性能差异、不同技术指标对产品性能和品质的影响研究，为电子烟产品设计、质量控制、标准建立提供更充分依据。最重要的是当前电子烟产品和核心元器件质量安全现状不容乐观，尽快建立电子烟产品质量体系，出台国家标准，规范电子烟行业发展。