充電機充電鋰離子電池安全測試-擠壓、針刺、短路
2017-8-16 11:12:25??????點擊：
充電機充電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。為了確保充電機充電鋰離子電池的安全性，人們設計了多種充電機充電蓄電池安全性測試保證充電機充電鋰離子電池在濫用的情況下的安全性，因此如何通過充電機充電電池結(jié)構(gòu)設計確保充電機充電鋰離子電池能夠通過充電機充電蓄電池安全性測試，從而保證在使用中的安全性，就是需要我們考慮的問題。
針對充電機充電鋰離子電池在實際使用中可能遇到安全風險，我們設計了擠壓、針刺、短路、過充和過放、高低溫等充電機充電蓄電池安全性測試。在眾多的充電機充電蓄電池安全性測試中，模擬充電機充電鋰離子電池發(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)，也是最難通過的充電機充電蓄電池安全性測試。究其原因，主要還是因為這兩種充電機充電蓄電池安全性測試中瞬時電流過大，由于歐姆阻抗等因素使得充電機充電鋰離子電池內(nèi)部段時間內(nèi)產(chǎn)生大量的熱量，受到充電機充電鋰離子電池結(jié)構(gòu)的限制，這些熱量無法快速擴散到充電機充電電池外部，導致充電機充電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，導致熱失控。
以電動汽車上常見的方形充電機充電電池為例，由于結(jié)構(gòu)設計的原因，在充電機充電電池各個部分產(chǎn)生的熱量擴散的速度是不一樣的，因此會在充電機充電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，由于充電機充電電池內(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，隨著充電機充電電池變形程度的增加，正負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，隔膜最終達到失效點，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充電機充電鋰離子電池內(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充電機充電鋰離子電池的內(nèi)部，從而引起充電機充電鋰離子電池內(nèi)部短路，此時整個充電機充電鋰離子電池的電量都在通過短路點進行釋放，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。外短路測試是將充電機充電鋰離子電池連接一個定值電阻上，充電機充電鋰離子電池的電量通過電阻進行釋放。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，由于大電流會在充電機充電鋰離子電池內(nèi)短時間內(nèi)積累大量的熱量，可能會引發(fā)充電機充電鋰離子電池熱失控。
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，則充電機充電鋰離子電池熱量產(chǎn)生的速度也就越快，而充電機充電鋰離子電池熱量擴散速度不會有太大的變化，因此也就意味著在充電機充電鋰離子電池內(nèi)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題，繼而引起充電機充電鋰離子電池熱失控。
影響充電機充電鋰離子電池短路電流的因素主要是短路電阻的阻值，其次還受到充電機充電鋰離子電池內(nèi)阻和荷電狀態(tài)等因素的影響，荷蘭的Akos Kriston等人通過對多種充電機充電鋰離子電池進行研究后發(fā)現(xiàn)，在充電機充電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充電機充電電池的放電電流可達274C，這一部分主要由充電機充電鋰離子電池的雙電層和擴散層放電驅(qū)動，在區(qū)域2中，充電機充電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(qū)域內(nèi)可能發(fā)生充電機充電電池的熱失控。在區(qū)域3中，隨著驅(qū)動力的下降，充電機充電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充電機充電鋰離子電池的內(nèi)阻的比例，這甚至要比充電機充電鋰離子電池內(nèi)阻和充電機充電電池的荷電狀態(tài)對實驗結(jié)果的影響還要大?？梢钥吹?，短路電阻的阻值與充電機充電鋰離子電池越接近，充電機充電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充電機充電鋰離子電池內(nèi)阻的9-12倍以上時，充電機充電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充電機充電電池內(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，在充電機充電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，影響充電機充電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，通過安全保護設計等手段，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充電機充電鋰離子電池發(fā)生熱失控。其次是提高充電機充電鋰離子電池的散熱速率，通過充電機充電鋰離子電池結(jié)構(gòu)設計，提高散熱速率，可以有效的避免充電機充電鋰離子電池溫度過高，特別是在充電機充電電池組級別上，需要配備相應的散熱手段，在部分充電機充電鋰離子電池發(fā)生熱失控時，能夠快速散熱保證不引起連鎖反應。
木文主要參考以下文獻
1.Large format lithium ion pouch cell full thermal characterisation for improved electric vehicle thermal management, Journal of Power Sources 359 (2017) 215- 223, lliomas Grandjean, Anup Barai, Hlham Hosseiazadeh, Yuc Guo, Andrew McGordon, James Marco
2.Internal configuration of prismatic lithium-ion cells at the onset of mechanically induced short circuit, Journal of Power Sources 306 (2016) 424-430, Hsin Wang, Srdjan Simunovic, Hossien Maleki, Jason N. Howard, Jerald A.
Hallmark
3.Progressive mechanical indentation of large-format Li-ion cells, Journal of Power Sources 341 (2017) 156-164, Hsin Wang, Abhishek Kumar, Srdjan Simunovic, Srikanth Allu, Sei^iy Kalnaus, John A. lurner, Jacob C. Hclmers, Evan T. Rules, Clinton S. Winchester, Philip Gomey
4.Internal short circuit in Li*ion cells, Journal of Power Sources 191 (2009) 568 574, Hossein Maleki, Jason N. Howard
5.The Relationship of the Nail Penetration Test to Safety of Li*lon Cells, 2013 DOK Annual Merit Review* Meeting, Mchmet Rona, YooKup H>*ung, Brian Bamett and Suresh Sriramulu
6.Hxtemal short circuit performance of Graphite>LiNil/3Col/3Mnl/302 and Cjraphite-LiNi0.8Co0.15A10.0502 cells at different externa丨 resistances, Journal of Power Sources 361 (2017) 170-181, Akos Kriston, Andreas Pfrang, Harry Do€ring, Benjamin Fritsch, Vanesa Ruiz, Ibtissam Adanouj, Theodora Kosmidou, Jurgen Ungcheucr, Lois Boon-Brett
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