發布日期：2022-04-26 點擊率：41
為了更好地實現鋰離子電池安全使用，除了合理提升比能量這一手段外，還需要其他輔助方法來實現電池安全設計，如電池管理系統(BMS)均衡?合理溫控?極端工況下防短路的安全裝置?本文提出的“電池蓋板安全裝置”是實現電池安全使用與保護的手段之一?針對力神電池51Ah的三元鋰離子單體電池的安全狀態進行分析研究，考察在過充和短路狀態下，不同的參數(熔斷面積?壓力膜起翻壓力)等對安全極限實驗的的影響并確定最佳參數?
1 實驗
1.1 過充及短路保護原理
此安全裝置是蓋板的一部分，包含壓力膜及溶斷裝置s壓力膜是通過模具制作出來后焊接到蓋板上，其材質是鋁，熔斷裝置是在蓋板的下極板上沖壓出鋁絲的形狀后，用PPS進行注塑(見圖1)，保證鋁絲的結構不被破壞，鋁絲的熔斷電流等于鋰離子單體電池蓋板的短路電流，熔斷原理見圖2，熔斷電流走向示意圖見圖3?
在鋰離子單體電池發生過充時，其電壓會超過三元材料的設計電壓4.2V，—直上升到5V左右，此時鋰離子單體電池內部會發生劇烈的副反應，正極的化學結構坍塌，并且會在正極極片的表面出現析鋰，析出的鋰離子刺穿隔膜，造成短路，極組溫度會急劇上升到8(TC，極組還會大量產氣?由于鋰離子單體電池是一個封閉的腔體，內部空隙非常小，所以產氣后內部壓力急劇上升，當壓力超過一定值，鋰離子單體電池會發生爆炸?帶安全裝置的鋰離子單體電池，當內部壓力達到膜翻起的臨界點0.4MPa時，壓力膜被頂起?同時，正負極短接，電路電流達到1000A左右，從而將熔斷裝置中的鋁絲熔斷，將極組回路與外界充放電回路斷開，起到過充時保護極組的作用?
在對鋰離子單體電池進行短路實驗時，極組?外部電阻?熔斷裝置組成串聯回路，假定滿荷電態單體電壓3.8V，外接短路電阻約是3.5mfl，鋰離子單體電池的內阻為0.6mfl左右，那么鋰離子單體電池的短路實驗電流會達到1000A?這么大的電流會使極組發熱，迅速升溫到8(TC以上，隔膜會發生收縮失去隔離作用使極組內部短路，同時發生副反應，壓力會瞬時上升到1MPa以上，超過鋁殼體的拉伸強度，發生爆炸?如果蓋板安裝了安全裝置，當短路電流超過1000A時，鋁絲自行擦斷，使極組與蓋板和蓋板外短路點隔離，防止鋰離子單體電池持續短路，從而保護了電極極組?
1.2 電池制作
分別使用帶安全裝置的電池蓋板和不帶安全裝置的電池蓋板，以三元材料為正極材料，采用正常的生產工藝進行電池制作，將制作完成的電芯進行短路及過充測試，來驗證帶安全裝置的鋰離子單體電池蓋板是否可以對電池過充和短路起到保護作用?
1.3 測試流程
(1)過充測試：單體蓄電池按照GB/T31485-2015的方式進行充電，電池滿電后，以1A電流恒流充電至電壓達到企業技術條件中規定的充電終止電壓的1.5倍，即6.3V，或充電時間達lh后停止充電?
(2)短路測試：單體蓄電池按照GB/T31485-2015的方式進行充電，將單體蓄電池正?負極經外部短路10min，外接電阻應小于5Ω?
2 過充與短路實驗
2.1 過充實驗對比測試
(1)未安裝安全裝置蓋板的鋰離子單體電池
過充對比測試中，按照GB/T31485-2015，首先對沒有安全裝置的鋰離子單體電池進行充電，鋰離子單體電池充滿電后，在過充后的2500S發生了劇烈爆炸?鋰離子單體電池的表面溫度高達8(TC，內部的溫度足以使隔膜變形收縮，使極組短路，并且會發生產氣嚴重的副反應，所以內部的溫度?氣壓會進一步急劇上升，導致熱失控，電芯在2500s以后發生爆炸?實驗時未安裝安全裝置蓋板的電池過充測試曲線見圖4?
(2)安裝安全裝置蓋板的鋰離子單體電池
安裝過充保護裝置的鋰離子單體電池在充電后，開始進行過充實驗，電芯在984S時電壓驟降，溫度急速上升，從40℃上升到50’C左右后開始下降?從圖4中可以看出溫度從730S開始上升，說明過充后較強烈的副反應開始了，在副反應發生了一段時間后，在984s左右內部壓力達到0.4MPa，壓力膜變形至壓力膜翻起后的位置(如圖2中標注的壓力膜翻起后位置)，導致正負極之間短路?電壓驟降至0V，這時蓋板將極組與外界充電設備隔離，極組的副反應無法持續，產熱結束，沒有嚴重的熱失控發生，實驗測試曲線見圖5?
2.2 短路實驗對比測試
(1)未安裝安全裝置蓋板的鋰離子單體電池
首先進行短路測試，對沒有安裝此安全裝置的電芯進行測試?在測試中短路電流非常大，反應過于劇烈，在鋰離子單體電池的正負極柱表面有火星，然后在非常短的時間內鋰離子單體電池爆炸，所以無法檢測到數據，圖6為實驗現場照片?
(2)安裝安全裝置蓋板的鋰離子單體電池
安裝了短路安全裝置的鋰離子單體電池，在設備對電芯進行短路后的5s，熔斷裝置徹底斷路，將極組與外界隔絕?在后面觀察的2500s沒有發生溫度急劇上升的情況，電壓也沒有升高，說明在短路后的2500s后極組沒有發生熱失控現象，熔斷裝置也沒有恢復，徹底斷開了，所以短路測試通過，實驗數據見圖7?
在過充?短路實驗中，使用沒有安全裝置的電池蓋板的電池爆炸了，使用了有安全裝置的電池蓋板的電池未爆炸?這說明三元體系的鋰離子電池一般很難直接通過安全性實驗，加裝了帶有安全裝置的蓋板后，電池的安全性測試能夠順利通過?
通過實驗驗證了安全裝置在短路或過充時能夠切斷與外接負載或充電設備連接的外回路，可防止熱失控發生?安全裝置對處在短路?過充實驗狀態下的鋰離子電池有保護作用，但仍然存在熔斷與翻轉不同步不匹配的現象，這需要進一步優化參數，改進安全裝置設計?
3 安全裝置設計參數優化實驗
3.1 壓力膜實驗
為了提高鋰離子單體電池通過安全測試的一致性及可靠性，達到上述效果，需要進行多組實驗對比，來針對此款電芯優化出最佳的安全裝置設計參數?
安全裝置由壓力膜和熔斷裝置兩部分組成，所以參數按照裝置動作的先后順序進行確定?先進行壓力膜參數的確定，鋰離子單體電池內部壓力通常在0.1MPa左右，而且防爆閥開啟壓力下限在0.6MPa，所以在0.2~0.5MPa范圍內分別進行測試?壓力膜的壓力值通過硬度去控制，壓力膜從各個壓力批次中去選擇?根據壓力值設計4組實驗，每組20只鋰離子單體電池，壓力膜壓力實驗數據見表1?
從表1中可以看出；1#壓力值在0.2MPa，對其進行過充，通過率達到100%，但是在高溫存儲6(TC過程中會發生鋰離子單體電池自斷路的情況，所以此壓力值偏低；2#和3#實驗在過充和高溫自斷率方面均達到要求，沒有出現過充熱失控或高溫存儲中內部熔斷的情況；4#在過充中，只有3只鋰離子單體電池通過了過充實驗，不滿足設計要求?因此，從此批次的實驗中看出，壓力膜在0.3~0.4MPa之間是滿足設計要求的?
3.2 熔斷絲截面積選擇
熔斷絲截面積越小，其過流性能越差，過流時發熱量越大，越容易熔斷?由于溶斷裝置為較細的鋁絲，強度較弱，為了保證熔斷裝置強度，所以將熔斷裝置設計為兩根，用來增加結構強度，熔斷及過流測試是直接對兩根熔斷絲進行測試，這樣能和實際情況完全一致。
對熔斷裝置的要求是：熔斷絲截面積最大，4C過流后溫度不高于60℃，在1000A下瞬時溶斷?壓膜翻轉10s內可培斷?
電芯發生過充時，壓力膜未翻起，熔斷裝置應可通過4C的電流，熔斷絲不熔斷；當壓力膜翻起后，熔斷裝置可以熔斷；無論壓力膜翻起還是不翻起，當電流大于1000A時，熔斷絲應熔斷?
此款電池的容量為51Ah，若以4C電流放電，放電到截止電壓2.7V需15min左右，在此期間要測量電池溫升?
根據各大車廠的要求，在通過4C電流放電后，完成放電的電池溫度應低于6(TC?假設溶斷絲截面積在0.8~2m㎡區間，那么：
如果0.8m㎡截面積的熔斷絲能通過4C的電流，且溫度超過60’C，則不再進行低于0.8m㎡熔斷絲的實驗；如果4C電流可以通過，且溫度未超過60’C，則對更小面積的熔斷裝置進行實驗，直至有一個條件不通過為止?如果2m㎡截面積的熔斷絲在1000A時不能夠瞬時熔斷，則不進行更大截面積溶斷絲實驗，要向減小截面積方向進行實驗，直至1000A能夠熔斷為止；若1000A過流瞬時能夠熔斷，在壓力膜翻起后10s內也熔斷，則對更大截面積的熔斷絲進行實驗，直至1000A過流時不熔斷為止?
這樣就可以針對某一型號電池篩選出“溶斷絲截面積最大，4C過流后溫度不高于6CTC，在1000A下瞬時熔斷，壓膜翻轉10s內可熔斷”的熔斷絲截面積設計參數?
3.3 —體化部件實驗
前面做了截面積選擇單項實驗，下面組合起來，進行部件實驗?
電池安全實驗的“過充實驗”是按GB/T31485-2015中過充實驗所規定的條件進行?熔絲高溫自斷率實驗是60℃滿電情況下，高溫存儲7天測出的?熔絲自斷現象是因為正常狀態的鋰離子單體電池，由于高溫導致的內部壓力升高，將壓力膜頂起，導致熔斷裝置起作用的過程?高溫自斷率通過的標準是高溫存儲過程中，翻轉閥不動作，熔斷裝置不發生熔斷?
熔斷裝置的參數確定：在實驗中，壓力膜的開啟壓力設定為0.3~0.4MPa可以保證在過充及短路時將壓力膜翻起，并且在6(TC滿電情況下高溫存儲7天沒有因為高溫導致的內部壓力升高，將壓力膜頂起，導致熔斷裝置起作用的情況，即高溫不會發生自斷現象?所以壓力膜的翻起壓力值在0.3~0.4MPa，為了保證強度將熔斷裝置設計為兩根鋁絲，將每根的熔斷面積確定為0.8~2m㎡，設計6組實驗?先進行實驗，如果都能熔斷則再做單根0.8m㎡以下的實驗和2m㎡以上的實驗，實驗數據見表2。
由表2可知，1#~4#均可以完成過充實驗，不發生熱失控的情況，5#~7#實驗的過充通過率大大降低至無法通過實驗，發生防爆閥爆噴爆炸等情況?但是通過表2中4C電流通過率可以看出1#和2#電芯會有超過60℃的情況，3#~7#均可以通過4C測試?從此實驗中可以得出，熔斷面積選定兩根溶斷絲截面積1.2~1.4m㎡為最佳值，可以較好地匹配此款電芯?
對鋰離子單體電池蓋板的熔斷裝置單獨進行焙斷時間測試，使用ARbin5V2000A測試系統，該設備可提供最大電流2000A，把培斷裝置連接在設備上，連接方式見圖3，加載的電流按600~1800A遞增?通過實驗，熔斷絲截面積為1.2~1.4m㎡的安全裝置的蓋板部件可以滿足要求?然后在此基礎上，選擇1.3m㎡為截面積選擇的中值，用該尺寸的熔斷絲進行溶斷時間測試?在600?800?1000?1200?1400?1600?1700?1800A的短路電流下，熔斷時間分別為112.211?20.780?6.000?4.501?2.490?1.410，1.320、0.990s。
可以看出熔斷電流越小，熔斷時間越長?當熔斷電流大于1000A時，即模擬壓力膜翻轉后，將正負極導通發生短路，熔斷時間滿足各大整車廠對鋰離子單體電池安全裝置的設計要求，所以每根焙斷面積1.3m㎡可以達到要求?
4 結論
過充短路安全裝置可以明顯地改善鋰離子單體電池的安全注，提升安全實驗的通過率，安全裝置因與鋰離子單體電池的容量?內阻特性相關，所以在使用前應針對每款電池通過實驗調整部分設計參數，做到專款專用，將壓力膜硬度和熔斷的截面積參數與鋰離子單體電池匹配好，做到最優?
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