鋰電池內(nèi)部微短路控制方法

歐方明

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鋰電池內(nèi)部微短路控制方法

歐方明

（海軍駐昆明地區(qū)軍事代表室，昆明 650000）

分析了鋰電池內(nèi)部微短路的危害及其成因，針對實際情況對鋰電池內(nèi)部微短路模擬試驗的方法進(jìn)行了歸納比較。分析與比較國際國內(nèi)民用和軍用電池安全標(biāo)準(zhǔn)，介紹了鋰電池內(nèi)部微短路的控制方法。

鋰電池 安全性 微短路 連鎖反應(yīng) 模擬測試

1 鋰電池內(nèi)部微短路成因分析

2006 年，鋰電池巨頭索尼公司的鋰電池造成數(shù)起戴爾牌筆記本電腦爆炸起火，引起美、日官方的重視。稍后，盡管采用了非常安全的A123磷酸鐵鋰電池，美國的豐田普銳斯混合動力汽車經(jīng)第三方改裝后在行駛時燒毀。2011年，在杭州、上海及深圳都有新能源出租車及大巴燒毀事件。顯然，即使采用鋰電池家族中最安全的磷酸鐵鋰體系，依然無法避免安全事故的發(fā)生。

從化學(xué)原理上進(jìn)行分析，鋰電池的安全性比汽油還差。汽油儲存在密閉的金屬容器內(nèi)，如果不同時發(fā)生泄漏（汽油和空氣接觸）和遇到明火（或者火星，引發(fā)作用）這兩個條件，是非常安全的；而鋰電池的能量則儲存于一層薄薄的隔膜兩側(cè)，氧化劑（正極活性物質(zhì)）、還原劑（負(fù)極活性物質(zhì)）在發(fā)生內(nèi)部短路（引發(fā)作用）的情況下，將同時發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)，急劇發(fā)熱，并可能起火、燃燒、爆炸，對于有機(jī)溶劑體系的鋰電池來說就更容易燃燒一些。

在鋰電池的眾多失效模式中，單體電池內(nèi)部短路無疑危害最大，最難以預(yù)測和分析，沒有辦法通過外部控制電路來進(jìn)行保護(hù)。內(nèi)部短路造成的高溫、高阻、還很容易造成電池組的連鎖反應(yīng)。目前廣泛認(rèn)為單體電池內(nèi)部短路的原因可能有：

1）吸附在隔膜表面或者單體電池殼體頂部、底部的粉塵。

制造環(huán)境、工藝控制不良的情況下，會形成大量的正/負(fù)極片粉塵和焊接引起的金屬粉塵，并通過靜電作用吸附在隔膜表面。極片本身不夠光滑，粉體粘結(jié)強(qiáng)度不夠，本身也會造成這種問題。

2）卷繞/疊片時形成的正/負(fù)極片錯位。

3）金屬焊點(diǎn)、極片邊緣有毛刺。

4）隔膜兩側(cè)形成鋰枝晶，由于不均勻反應(yīng)造成的局部電化學(xué)反應(yīng)或過充電而形成鋰枝晶。

（5）電解液分布不均勻造成正/負(fù)極片利用率不一致。

（6）材料本身的問題。

材料純度不高、與電解液相容性不好、正極金屬材料不耐高電壓、負(fù)極金屬材料與鋰形成合金，都可能形成雜質(zhì)沉積或鋰枝晶。

（7）外部因素。

外部機(jī)械力的作用導(dǎo)致單體電池殼體變形并進(jìn)而導(dǎo)致隔膜移位、破損，外界溫度過高導(dǎo)致隔膜過度收縮、破損，過充電、強(qiáng)制放電造成單體電池內(nèi)部形成鋰枝晶，都可能造成內(nèi)部短路。

2 鋰電池內(nèi)部微短路的模擬試驗方法

鑒于內(nèi)部微短路對鋰電池安全的嚴(yán)重威脅，國際和國內(nèi)各種鋰電池安全標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計了很多相應(yīng)的內(nèi)短路模擬測試項目。這些模擬的測試方法主要有平板擠壓法、圓柱擠壓法、針刺、重物撞擊、金屬填埋法等等，其中金屬填埋法是在日本鋰離子電池在筆記本電腦中出現(xiàn)自燃后所誕生的新方法，目前主要用于二次電池。

日本的JIS標(biāo)準(zhǔn)和美國的NASA標(biāo)準(zhǔn)采用了金屬填埋法，將微小的金屬片預(yù)先放置于單體電池內(nèi)部扎穿隔膜，考察鋰電池在發(fā)生內(nèi)部短路的情況下的安全性，非常直接。但是此法本身具備很大的危險性，最好采用機(jī)器人操作的方式。

重物撞擊是一種模擬內(nèi)部短路的測試方法，一般是在電池上方放置一根金屬圓棒，然后利用重物撞擊此金屬圓棒，造成電池殼體變形產(chǎn)生內(nèi)部短路。與擠壓法一樣，該法也存在一個不均衡的問題，即對殼體薄的電池不利，但事實上殼體薄的電池在發(fā)生內(nèi)部短路時反而會安全一些。

槍擊試驗是將電池放置在大于25 m距離的位置上，然后用槍射擊造成電池內(nèi)部短路。此法為GJB2374所創(chuàng)，除了我國的軍用標(biāo)準(zhǔn)，其他的一般標(biāo)準(zhǔn)中沒有此項目。

針刺試驗是在電池中插入一金屬針，直接造成電池內(nèi)部的正負(fù)極接觸短路，過于激烈，不能很好地模擬內(nèi)部微小的短路情況，因為成品電池中往往不會出現(xiàn)這種激烈的內(nèi)部短路，如果存在的話早已在制造過程中就被發(fā)現(xiàn)了。針刺試驗方法被1995版本的美國UL1642標(biāo)準(zhǔn)所采用，但在后續(xù)UL1642版本中都刪除了這一試驗方法。而正在研制中的UL2580，可能采用較為溫和的鈍針刺來模擬內(nèi)部微短路，這種試驗更接近微短路的真實情況。

擠壓試驗是常用的模擬內(nèi)部微短路的方法，絕大部分電池安全標(biāo)準(zhǔn)中都有這種方法，但是擠壓的方法差別非常大，主要有平板擠壓法和圓柱擠壓法等等，最新的IEC62660-2:2010中關(guān)于擠壓試驗的方法，則可以看成是綜合吸收了平板擠壓法、圓柱擠壓法、針刺、重物撞擊、金屬填埋法的優(yōu)點(diǎn)而設(shè)計的一種方法。我國在修訂GJB2374A的研討過程中，考慮到現(xiàn)有技術(shù)中有些電池使用平板擠壓法無法實施擠壓、用圓柱擠壓法又對微短路出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)不清的情況，采用了平板擠壓法和圓柱擠壓法多種選項，根據(jù)實際電池情況選擇確定，其中把電池電壓的突變作為發(fā)生微短路現(xiàn)象的標(biāo)志，這基本上是合理的。

3 鋰電池內(nèi)部微短路危害控制方法

鋰電池內(nèi)部微短路危害控制必須從單體電池設(shè)計、材料選擇、環(huán)境工藝控制等諸多方面來防止內(nèi)部微短路。此外，為了將單體電池的內(nèi)部短路造成的影響控制在最小范圍，不至于造成連鎖反應(yīng)，還必須在電池組的設(shè)計中注意以下問題。

1）單體電池過熱隔離裝置

單體電池過熱隔離裝置可以在單體電池發(fā)生內(nèi)部短路或外力撞擊時起到隔離作用，停止電池組對失效單體電池的充電/強(qiáng)制過放電作用，并防止失效單體電池的高溫、火焰、爆炸物引起相鄰單體電池的連鎖放應(yīng)，從而起到阻斷作用。

2）單體電池連接措施

電池組中單體電池的電學(xué)連接措施（例如電線、鎳帶、固定螺絲）的脫落或虛焊會使局部電阻過高，造成脫落點(diǎn)區(qū)域的高溫，并引起臨近單體電池的內(nèi)部短路。

3）盡量減小單體電池的能量

一般認(rèn)為單體電池的能量越大，成組電池串并聯(lián)的數(shù)量就越少，可靠性越高，這從串并聯(lián)成組的可靠性分析來說是正確的。但是如果單體電池的能量過大，一旦出現(xiàn)失控反應(yīng)后對電池組的破壞力就越大，從原理上來說就越容易產(chǎn)生整個電池組的連鎖反應(yīng)，造成不可控的局面。因此選擇合適的單體電池能量設(shè)計是很重要的。

4）單體電池的串并聯(lián)方式

單體電池的串并聯(lián)方式、數(shù)目也對單體電池的內(nèi)部短路、連鎖反應(yīng)有著很大的影響。例如，串聯(lián)容易造成某個單體電池強(qiáng)制放電，并聯(lián)容易造成某個單體電池強(qiáng)制充電，都可能造成單體電池的內(nèi)部壓力、電流過大，從而形成內(nèi)部短路。這需要在單體電池的一致性方面和電池組的對稱性設(shè)計方面多做研究和改進(jìn)。

5）溫度控制系統(tǒng)

需要利用溫度控制系統(tǒng)將單體電池、電池組的溫度控制在安全的范圍內(nèi)以保障安全性。溫度監(jiān)控系統(tǒng)、強(qiáng)制風(fēng)冷、水冷、油冷都已經(jīng)有應(yīng)用的實例，并以逐步出現(xiàn)在相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)中。

Control Method of the Microshort-Circuit in the Li-ion Battery

Ou Fangming

（Navy Representatives Office in Kunming, Kunming 650000, China）

TM912

A

1003-4862（2013）04-0047-02

2013-01-23

歐方明（1969-），男，高級工程師。專業(yè)方向：魚雷工程。