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鋰離子電池安全測試解析：擠壓、針刺、短路

發(fā)布時(shí)間：2017-08-16 來源：新能源Leader 責(zé)任編輯：wenwei

【導(dǎo)讀】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(cái)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?cè)O(shè)計(jì)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(jì)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(duì)鋰離子電池在實(shí)際使用中可能遇到安全風(fēng)險(xiǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)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?yàn)檫@兩種安全性測試中瞬時(shí)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(shí)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(kuò)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(dòng)汽車上常見的方形電池為例，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原因，在電池各個(gè)部分產(chǎn)生的熱量擴(kuò)散的速度是不一樣的，因此會(huì)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(shí)，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(kuò)散出去，因此電芯內(nèi)部的溫度會(huì)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(huì)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(huì)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(diǎn)，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(diǎn)狀短路為主【3】，因此會(huì)在短路點(diǎn)產(chǎn)生非常大的電流，熱量集中釋放，引起短路點(diǎn)的溫度急劇上升，因此很容易引發(fā)熱失控。

針刺實(shí)驗(yàn)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(shí)整個(gè)鋰離子電池的電量都在通過短路點(diǎn)進(jìn)行釋放，相關(guān)研究顯示在內(nèi)短路發(fā)生時(shí)，最多會(huì)有70%左右的能量在60s內(nèi)通過短路點(diǎn)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(shí)的擴(kuò)散，從而使的短路點(diǎn)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(shí)驗(yàn)，外短路測試則顯得先對(duì)比較溫和。外短路測試是將鋰離子電池連接一個(gè)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(huì)在鋰離子電池內(nèi)短時(shí)間內(nèi)積累大量的熱量，可能會(huì)引發(fā)鋰離子電池?zé)崾Э亍?/div>

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(kuò)散速度不會(huì)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?/div>

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(duì)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(gè)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(kuò)散層放電驅(qū)動(dòng)，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(kuò)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(dòng)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(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響還要大。可以看到，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(shí)，鋰離子電池才能通過短路安全測試。其實(shí)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(huì)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(jì)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(jì)，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(jí)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(shí)，能夠快速散熱保證不引起連鎖反應(yīng)。