硅膠在鋰電池組安全方面的應(yīng)用與探索

張敏

（ 上海電動工具研究所（集團(tuán)）有限公司，上海電動工具工程技術(shù)研究中心 上海 200233 ）

硅膠在鋰電池組安全方面的應(yīng)用與探索

張敏

（ 上海電動工具研究所（集團(tuán)）有限公司，上海電動工具工程技術(shù)研究中心 上海 200233 ）

基于對鋰電池組灌封液態(tài)硅膠前后的系列充放電測試試驗(yàn)，分析比對溫度、電壓、電流等試驗(yàn)數(shù)據(jù)的差異性，研究討論其在鋰電池組風(fēng)險(xiǎn)防范中的積極預(yù)防作用。

鋰離子、鋰電池組、新能源、硅膠、BMS、風(fēng)險(xiǎn)防范

0 引言

隨著電子、信息及通訊等3C產(chǎn)品日趨無繩化，鋰電池在手機(jī)、筆記本電腦以及電動工具等應(yīng)用領(lǐng)域得到迅猛發(fā)展，成為其最佳的動力來源。在儲能技術(shù)方面，由于鋰電池的能量密度高，低溫充放電性能明顯優(yōu)于鉛酸電池且價(jià)格進(jìn)一步下降，逐步向電動自行車、電動汽車等代步工具領(lǐng)域拓展，鋰電池組的用途越來越廣，相關(guān)產(chǎn)業(yè)也進(jìn)入快速成長階段。本文通過對鋰電池組灌封液態(tài)硅膠前后的充放電測試，討論并研究灌封液態(tài)硅膠在鋰電池安全風(fēng)險(xiǎn)上的積極預(yù)防作用。

1 概述

鋰電池能量密度高，這是其優(yōu)勢所在，同時(shí)也是危險(xiǎn)所在。隨著制造工藝和原材料升級，鋰電池的安全性要求越來越高。使用中，過放電和過充電都會引起電池循環(huán)次數(shù)降低甚至是永久性損壞，針對應(yīng)用于電動工具的鋰電池，被大量串、并聯(lián)以獲得更高電壓和更多放電電流的電池組就更需要實(shí)施安全保護(hù)，以避免在使用中發(fā)生的危險(xiǎn)。

硅膠具有防火阻燃的作用，在鋰電池組內(nèi)灌入液態(tài)硅膠，當(dāng)發(fā)生撞擊危險(xiǎn)時(shí)，硅膠絕緣能阻止短路的發(fā)生。另外，因其具有阻燃作用，可阻止爆炸發(fā)生，盡最大可能控制危險(xiǎn)事態(tài)的不斷擴(kuò)大。

2 硅膠特性

本文中使用的硅膠為導(dǎo)熱硅酮灌封膠，無氣味，其為加成型雙組分硅橡膠，可室溫固化、加熱快速固化。

2.1 優(yōu)點(diǎn)

1）固化前流動性好，操作時(shí)間適中，具有

自脫泡性；

2）優(yōu)異的耐高、低溫性能，完全固化后可在-40℃～+180℃長期保持彈性；

3）優(yōu)異的電氣絕緣性能，耐電弧電暈及抗沖擊，能對電子元器件進(jìn)行長期有效的保護(hù)；4）良好的耐水、耐臭氧、耐氣候老化性能；5）導(dǎo)熱性能優(yōu)異，可保證電子元器件有效散熱；

6）燃爆特性：阻燃，防爆。

2.2 方法

將A膠和B膠按1：1比例混合，攪拌均勻后，灌入模組治具內(nèi)，使膠體全部灌滿鋰電池空隙中。常溫4 h固化后照片如下（見圖1）。

圖1 充膠固化后鋰電池組被硅膠全部包裹

3 測試方法

通過鋰電池組在充膠前后的充放電溫度測試數(shù)據(jù)來研究灌硅膠對鋰電池溫度的影響。

3.1 充膠前

圖2 鋰電池組測試

在15串55并的鋰電池組布施28根溫度線（見圖2）；每串電芯的電壓接有電壓偵測線，共15根；最后接總電壓和總電流線。將模組置入密封箱體內(nèi)進(jìn)行測試。箱內(nèi)放置溫度偵測線，箱外放置環(huán)境溫度線。

3.1.1 0.5 C放電0.3 C充電測試

按0.3 C將模組充滿，靜置12 h進(jìn)行溫度偵測。

步驟：0.5 C放電至每串3 V，靜置30 min；0.3 C充電至每串4.15 V，靜置10 min。

圖3為各測試點(diǎn)的溫度曲線，最高溫度為中央電芯21號44.57℃。

圖4為每串電芯的電壓及總電壓電流曲線，放電最大動態(tài)串電壓差為172 mV。

3.1.2 1 C放電0.3 C充電測試

步驟：1 C放電至每串3 V，靜置30 min；0.3 C充電至每串4.15 V，靜置10 min.

圖5為各測試點(diǎn)的溫度曲線，最高溫度為中央電芯21號53.90℃。

圖6為每串電芯的電壓及總電壓電流曲線，放電最大動態(tài)串電壓差為192 mV。

3.2 充膠后

將A膠和B膠按1：1比例混合，攪拌均勻后，灌入模組治具內(nèi)，使膠全部灌滿鋰電池空隙中。

3.2.1 0.5 C放電0.3 C充電測試

將模組灌入硅膠固化后進(jìn)行充放電測試。步驟：0.5 C放電至每串3 V，靜置30 min；0.3 C充電至每串4.15 V，靜置10 min。圖7為各測試點(diǎn)的溫度曲線，最高溫度為中央電芯21號37.77℃。

圖8為每串電芯的電壓及總電壓電流曲線，最大放電動態(tài)串電壓差為159 mV。

3.2.2 充膠后1 C放電0.3 C充電測試

步驟：1 C放電至每串3 V，靜置30 min；0.3 C充電至每串4.15 V，靜置10 min。

圖9為各測試點(diǎn)的溫度曲線，最高溫度為中央電芯21號44.04℃。

圖10為每串電芯的電壓及總電壓電流曲線，放電最大動態(tài)串電壓差為150 mV。

4 分析

從充膠后充放電溫度曲線中可以看出小模組與小模組之間的傳熱更均勻，且得到較好的填充間隙，即便其中一個(gè)著火，受導(dǎo)熱灌封膠阻燃特性阻滯，風(fēng)險(xiǎn)不會擴(kuò)大。

圖11和圖12為相同測試方法取得的充膠前后各個(gè)測試點(diǎn)溫度比對差異，可見充膠后溫度較均勻，總體溫度呈下降態(tài)勢。

圖3 0.5C放電0.3C充電溫度曲線

圖4 0.5 C放電0.3 C充電電壓電流曲線

圖5 1 C放電0.3 C充電溫度曲線

圖6 1 C放電0.3 C充電電壓電流曲線

圖7 0.5 C放電0.3 C充電（充膠）溫度曲線

圖8 0.5 C放電0.3 C充電（充膠）電壓電流曲線

圖9 1 C放電0.3 C充電（充膠）溫度曲線

圖10 1 C放電0.3 C充電（充膠）電壓電流曲線

圖11 0.5 C放電0.3 C充電溫升比對

圖12 1 C放電0.3 C充電溫升比對

總結(jié)各測試條件下的溫度對比見表1。充膠與不充膠之間的溫升差異較大，0.5 C放電充膠后最大溫差相距3.84℃，1 C放電充膠后最大溫差相距7.66℃。由此可見，充膠有效緩解局部溫度上升過快現(xiàn)象，散熱效果明顯優(yōu)于不充膠電池組。

從電壓電流曲線上可見充膠后動態(tài)串電壓相應(yīng)減少，充膠后0.5 C放電時(shí)最大動態(tài)電壓差減少13 mV，1 C放電時(shí)最大動態(tài)電壓差減少42 mV。

表1 溫度對比

5 結(jié)語

目前，受成本約束，硅膠尚未普遍應(yīng)用于鋰電池模組中，隨著業(yè)界不斷重視以及灌封液態(tài)硅膠在防止鋰電池安全事故中起到的積極預(yù)防作用，其相關(guān)應(yīng)用的實(shí)際價(jià)值將日趨顯現(xiàn)。

[1]蘆泉，李海英.直流工具中的鋰電保護(hù)及其相關(guān)技術(shù)分析[J].電動工具，2014(6).

The Application and Research of Silica Gel in the Safety of Lithium Battery

Zhang Min

SETRI (Group) Co., Ltd. Shanghai Electric Tools Engineering Center, Shanghai, 200233, China

Based on a series of charge and dischargeteststolithium battery encapsulated with liquid silica gel, this paper analyses differences in temperature, voltage and current and discussesits positive role in the risk prevention for lithium batteries.

Lithium-ion; Lithium Battery; New Energy; Silica Gel; BMS; Risk Prevention

TM910.6

A

1674-2796（2016）05-0010-06

2016-08-10

張敏（1979—），男，大學(xué)本科，主要從事鋰電池制造，測試及研發(fā)等相關(guān)工作。