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鋰離子電池安全測試解析:擠壓、針刺、短路

文章出處:公司動態(tài) 責(zé)任編輯:東莞市至上檢測設(shè)備有限公司 發(fā)表時間:2018-01-24
  

鋰離子電池的安全性是我們需要優(yōu)先考慮的問題,特別是在乘用車等關(guān)系到我們生命財產(chǎn)安全的領(lǐng)域,安全更是重中之重。為了確保鋰離子電池的安全性,人們設(shè)計了多種安全性測試保證鋰離子電池在濫用的情況下的安全性,因此如何通過電池結(jié)構(gòu)設(shè)計確保鋰離子電池能夠通過安全性測試,從而保證在使用中的安全性,就是需要我們考慮的問題。

針對鋰離子電池在實際使用中可能遇到安全風(fēng)險,我們設(shè)計了擠壓、針刺、短路、過充和過放、高低溫等安全性測試。在眾多的安全性測試中,模擬鋰離子電池發(fā)生內(nèi)短路和外短路的擠壓、針刺和外短路測試是最為常規(guī),也是最難通過的安全性測試。究其原因,主要還是因為這兩種安全性測試中瞬時電流過大,由于歐姆阻抗等因素使得鋰離子電池內(nèi)部段時間內(nèi)產(chǎn)生大量的熱量,受到鋰離子電池結(jié)構(gòu)的限制,這些熱量無法快速擴散到電池外部,導(dǎo)致鋰離子電池溫度過高,從而引發(fā)活性物質(zhì)和電解液的分解燃燒,導(dǎo)致熱失控。

以電動汽車上常見的方形電池為例,由于結(jié)構(gòu)設(shè)計的原因,在電池各個部分產(chǎn)生的熱量擴散的速度是不一樣的,因此會在電池的平面方向和厚度方向上產(chǎn)生明顯的溫度梯度,特別是在大電流時,由于電池內(nèi)部,特別是電芯中間位置產(chǎn)生的熱量無法很好的擴散出去,因此電芯內(nèi)部的溫度會急劇的升高【1】,從而引發(fā)安全性問題。

在擠壓測試中,隨著電池變形程度的增加,正負(fù)極集流體會首先被撕裂,并沿著45度失效線發(fā)生滑移,活性物質(zhì)也會進(jìn)入到45度失效線內(nèi),隨著隔膜變形程度的不斷增加,隔膜最終達(dá)到失效點,引起正負(fù)極短路的發(fā)生【2】,擠壓造成的正負(fù)極短路主要是以點狀短路為主【3】,因此會在短路點產(chǎn)生非常大的電流,熱量集中釋放,引起短路點的溫度急劇上升,因此很容易引發(fā)熱失控。

針刺實驗也是用于模擬鋰離子電池內(nèi)短路的一種方法,其基本原理是利用一根金屬針,以一定的速度緩慢的插入到鋰離子電池的內(nèi)部,從而引起鋰離子電池內(nèi)部短路,此時整個鋰離子電池的電量都在通過短路點進(jìn)行釋放,相關(guān)研究顯示在內(nèi)短路發(fā)生時,最多會有70%左右的能量在60s內(nèi)通過短路點釋放【4】,這部分熱量最終都轉(zhuǎn)換為熱能,由于生成的熱量無法及時的擴散,從而使的短路點瞬間的溫度可達(dá)到1000 ℃以上,從而引發(fā)熱失控【5】。

相比于上述的擠壓和針刺實驗,外短路測試則顯得先對比較溫和。外短路測試是將鋰離子電池連接一個定值電阻上,鋰離子電池的電量通過電阻進(jìn)行釋放。根據(jù)定值電阻的大小可以控制短路電流的大小,從數(shù)十安到數(shù)百安,甚至是數(shù)千安,由于大電流會在鋰離子電池內(nèi)短時間內(nèi)積累大量的熱量,可能會引發(fā)鋰離子電池?zé)崾Э亍?

能否通過短路測試主要受到短路電流大小的影響,短路電流越大,則鋰離子電池?zé)崃慨a(chǎn)生的速度也就越快,而鋰離子電池?zé)崃繑U散速度不會有太大的變化,因此也就意味著在鋰離子電池內(nèi)部積累更多的熱量,溫度上升更多,可能導(dǎo)致隔膜收縮,正負(fù)極短路等嚴(yán)重的問題,繼而引起鋰離子電池?zé)崾Э亍?

影響鋰離子電池短路電流的因素主要是短路電阻的阻值,其次還受到鋰離子電池內(nèi)阻和荷電狀態(tài)等因素的影響,荷蘭的Akos Kriston等人通過對多種鋰離子電池進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn),在鋰離子電池短路的過程中,電流變化主要分為一下幾個部分,區(qū)域1電池的放電電流可達(dá)274C,這一部分主要由鋰離子電池的雙電層和擴散層放電驅(qū)動,在區(qū)域2中,鋰離子電池的放電倍率可達(dá)50-60C,這一部分電流的主要限制因素為物質(zhì)擴散,由于熱量的積累,在此區(qū)域內(nèi)可能發(fā)生電池的熱失控。在區(qū)域3中,隨著驅(qū)動力的下降,電池的放電電流也在逐漸下降【6】。

Akos Kriston的研究發(fā)現(xiàn),影響短路測試結(jié)果的主要因素是短路電阻阻值和鋰離子電池的內(nèi)阻的比例,這甚至要比鋰離子電池內(nèi)阻和電池的荷電狀態(tài)對實驗結(jié)果的影響還要大??梢钥吹?,短路電阻的阻值與鋰離子電池越接近,鋰離子電池就越容易發(fā)生熱失控,只有當(dāng)短路電阻的阻值是鋰離子電池內(nèi)阻的9-12倍以上時,鋰離子電池才能通過短路安全測試。其實這也不難理解,在短路放電的過程中,熱量主要由外電路的短路電阻和電池內(nèi)阻產(chǎn)生,根據(jù)焦耳熱的公式P=I2R,在電流相同的情況下,發(fā)熱功率與電阻程正比,在電池能量一定的情況下,阻值大的部分自然也就會產(chǎn)生更多的熱量。

從上述分析中不難看出,影響鋰離子電池安全測試結(jié)果的因素從本質(zhì)上來講主要是產(chǎn)熱速率和散熱速率,通過安全保護(hù)設(shè)計等手段,降低安全測試過程中的產(chǎn)熱速率,或者在必要情況下,切段電流,阻止繼續(xù)產(chǎn)熱都能夠有效的避免鋰離子電池發(fā)生熱失控。其次是提高鋰離子電池的散熱速率,通過鋰離子電池結(jié)構(gòu)設(shè)計,提高散熱速率,可以有效的避免鋰離子電池溫度過高,特別是在電池組級別上,需要配備相應(yīng)的散熱手段,在部分鋰離子電池發(fā)生熱失控時,能夠快速散熱保證不引起連鎖反應(yīng)。

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