針對鋰離子電池在實(shí)際使用中可能遇到安全風(fēng)險，我們設計了擠壓、針刺、短路、過(guò)充和過(guò)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)生內短路和外短路的擠壓、針刺和外短路測試是最為常規，也是最難通過(guò)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(shí)電流過(guò)大，由于歐姆阻抗等因素使得鋰離子電池內部段時(shí)間內產(chǎn)生大量的熱量，受到鋰離子電池結構的限制，這些熱量無(wú)法快速擴散到電池外部，導致鋰離子電池溫度過(guò)高，從而引發(fā)活性物質(zhì)和電解液的分解燃燒，導致熱失控。

 

以電動(dòng)汽車(chē)上常見(jiàn)的方形電池為例，由于結構設計的原因，在電池各個(gè)部分產(chǎn)生的熱量擴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)，由于電池內部，特別是電芯中間位置產(chǎn)生的熱量無(wú)法很好的擴散出去，因此電芯內部的溫度會(huì )急劇的升高【1】，從而引發(fā)安全性問(wèn)題。

 

 

在擠壓測試中，隨著(zhù)電池變形程度的增加，正負極集流體會(huì )首先被撕裂，并沿著(zhù)45度失效線(xiàn)發(fā)生滑移，活性物質(zhì)也會(huì )進(jìn)入到45度失效線(xiàn)內，隨著(zhù)隔膜變形程度的不斷增加，隔膜最終達到失效點(diǎn)，引起正負極短路的發(fā)生【2】，擠壓造成的正負極短路主要是以點(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)驗也是用于模擬鋰離子電池內短路的一種方法，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部，從而引起鋰離子電池內部短路，此時(shí)整個(gè)鋰離子電池的電量都在通過(guò)短路點(diǎn)進(jìn)行釋放，相關(guān)研究顯示在內短路發(fā)生時(shí)，最多會(huì )有70%左右的能量在60s內通過(guò)短路點(diǎn)釋放【4】，這部分熱量最終都轉換為熱能，由于生成的熱量無(wú)法及時(shí)的擴散，從而使的短路點(diǎn)瞬間的溫度可達到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，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(gè)定值電阻上，鋰離子電池的電量通過(guò)電阻進(jìn)行釋放。根據定值電阻的大小可以控制短路電流的大小，從數十安到數百安，甚至是數千安，由于大電流會(huì )在鋰離子電池內短時(shí)間內積累大量的熱量，可能會(huì )引發(fā)鋰離子電池熱失控。

 

能否通過(guò)短路測試主要受到短路電流大小的影響，短路電流越大，則鋰離子電池熱量產(chǎn)生的速度也就越快，而鋰離子電池熱量擴散速度不會(huì )有太大的變化，因此也就意味著(zhù)在鋰離子電池內部積累更多的熱量，溫度上升更多，可能導致隔膜收縮，正負極短路等嚴重的問(wèn)題，繼而引起鋰離子電池熱失控。

 

 

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阻和荷電狀態(tài)等因素的影響，荷蘭的Akos Kriston等人通過(guò)對多種鋰離子電池進(jìn)行研究后發(fā)現，在鋰離子電池短路的過(guò)程中，電流變化主要分為一下幾個(gè)部分，區域1電池的放電電流可達274C，這一部分主要由鋰離子電池的雙電層和擴散層放電驅動(dòng)，在區域2中，鋰離子電池的放電倍率可達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，在此區域內可能發(fā)生電池的熱失控。在區域3中，隨著(zhù)驅動(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，影響短路測試結果的主要因素是短路電阻阻值和鋰離子電池的內阻的比例，這甚至要比鋰離子電池內阻和電池的荷電狀態(tài)對實(shí)驗結果的影響還要大?？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，只有當短路電阻的阻值是鋰離子電池內阻的9-12倍以上時(shí)，鋰離子電池才能通過(guò)短路安全測試。其實(shí)這也不難理解，在短路放電的過(guò)程中，熱量主要由外電路的短路電阻和電池內阻產(chǎn)生，根據焦耳熱的公式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果的因素從本質(zhì)上來(lái)講主要是產(chǎn)熱速率和散熱速率，通過(guò)安全保護設計等手段，降低安全測試過(guò)程中的產(chǎn)熱速率，或者在必要情況下，切段電流，阻止繼續產(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(guò)鋰離子電池結構設計，提高散熱速率，可以有效的避免鋰離子電池溫度過(guò)高，特別是在電池組級別上，需要配備相應的散熱手段，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。

 

 

來(lái)源：第一電動(dòng)網(wǎng)，作者：新能源Leader。