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    軟包鋰電池造成短路故障解析,如何改善軟包鋰電池短路設(shè)計(jì)

    2023-04-07 09:29:43 

    相對于其他圓柱形和方形電池,軟包裝鋰電池因尺寸設(shè)計(jì)靈活、能量密度高等優(yōu)勢,使用越來越普遍。短路測試是評估軟包裝鋰電池的一種有效的方式。這篇文章通過分析電池短路測試的失效模型,尋找出影響短路失效的主要因素;通過開展不同條件的實(shí)例驗(yàn)證,分析失效模型,給出了改善軟包裝鋰電池安全性的提議。

    軟包電池


    軟包裝鋰電池的短路失效通常包括漏液、干裂、起火和爆炸等現(xiàn)象,如下圖所示3所示。漏液和干裂一般發(fā)生在極耳封裝薄弱區(qū)域,測試后可清晰地看到該處的鋁塑封裝干裂;起火和爆炸是危害性更大的安全生產(chǎn)事故,而起因通常是鋁塑干裂后,電解液在一定條件下發(fā)生劇烈反應(yīng)。因而,相對于軟包裝鋰電池的短路測試,鋁塑材料的封裝狀況是導(dǎo)致失效的關(guān)鍵因素。


    在短路測試中,電池的開路電壓瞬間降為零,同時(shí)回路內(nèi)通過大電流并產(chǎn)生焦耳熱。根據(jù)式(3)可知,焦耳熱的大小關(guān)鍵在于電流、電阻和時(shí)間三個(gè)因素。雖然短路電流存在的時(shí)間很短,但是由于電流較大仍然可產(chǎn)生很大的熱量。該部分熱量在短路后的較短的時(shí)間內(nèi)(通常為幾分鐘)慢慢釋放,導(dǎo)致電池溫度的升高(見圖2)。隨著時(shí)間的延長,焦耳熱主要散失到環(huán)境中,電池溫度也開始下降。因而推測,電池的短路失效一般發(fā)生在短路瞬間及其后較短的時(shí)間內(nèi)。


    軟包裝鋰電池在短路測試時(shí)往往發(fā)生產(chǎn)氣鼓脹的現(xiàn)象,這應(yīng)該是由以下原因?qū)е?。首先是電化學(xué)體系的不穩(wěn)定性,即大電流通過電極與電解液界面時(shí)造成了電解液的氧化或還原分解,氣體產(chǎn)物充斥在鋁塑封裝內(nèi)。該原因造成的產(chǎn)氣鼓脹在高溫條件下表現(xiàn)得比較明顯,因?yàn)殡娊庖悍纸飧狈磻?yīng)在高溫下更容易出現(xiàn)。除此之外,電解液即使不發(fā)生分解副反應(yīng),也可能在焦耳熱的作用下發(fā)生部分氣化,特別是對蒸汽壓低的電解液成分。該原因造成的產(chǎn)氣鼓脹相對于溫度較為敏感,即電池溫度降至室溫時(shí)鼓脹基本消失不見。然而,不管是哪一種原因造成的產(chǎn)氣,短路時(shí)電池內(nèi)部的氣壓升高均會加劇鋁塑封裝的干裂,增大失效的概率。


    如何改善軟包鋰電池短路設(shè)計(jì)


    基于短路失效的過程與機(jī)理分析,軟包裝鋰電池的安全性可從有以下幾方面開展改善:優(yōu)化電化學(xué)體系,降低正、負(fù)極耳電阻,提升鋁塑封裝強(qiáng)度。優(yōu)化電化學(xué)體系可從正負(fù)極活性材料、電極配比和電解液等多個(gè)角度開展,從而提高電池對瞬時(shí)大電流和短時(shí)高熱量的承受能力。降低極耳電阻可以減少該處的焦耳熱產(chǎn)生及累積,大幅度降低對封裝薄弱區(qū)域的熱量沖擊。提升鋁塑封裝強(qiáng)度可以通過優(yōu)化電池制造過程中的參數(shù)來實(shí)現(xiàn),大幅度降低發(fā)生干裂、起火和爆炸等


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