高比能軟包裝鋰離子動力電池安全設(shè)計(jì)

許科

摘 要 針對高比能鋰離子動力電池面臨的安全挑戰(zhàn)，從技術(shù)研發(fā)角度對單體電芯和電池系統(tǒng)兩個(gè)層級進(jìn)行了安全設(shè)計(jì)思路分析。對于單體電芯的安全設(shè)計(jì)，從電解液添加劑、電解液配比、正極材料、負(fù)極材料、隔膜等多個(gè)角度進(jìn)行了分析。對于電池系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)，從電源模塊、電氣系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、電池組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞 鋰離子電池；高比能；軟包裝；安全設(shè)計(jì)

中圖分類號 TM912 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）11-0020-02

近年來，鋰離子動力電池技術(shù)不斷提升，成本不斷下降，推進(jìn)了新能源汽車應(yīng)用量的大幅提升。然而，電動車安全事故的發(fā)生給行業(yè)敲響了警鐘。車輛更高的續(xù)駛里程要求鋰離子動力電池比能量不斷提高，伴隨而來的是更大的安全挑戰(zhàn)。如何解決高比能鋰離子電池的安全問題，成為行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。其中，軟包裝鋰離子動力電池具備安全特性高的特點(diǎn)，在高比能鋰離子電池發(fā)展上具備良好的前景。

1 高比能軟包裝鋰離子電池安全設(shè)計(jì)

軟包裝鋰離子電池其特有的軟包裝體系，決定了產(chǎn)品的安全特性，在內(nèi)部出現(xiàn)副反應(yīng)大量產(chǎn)氣時(shí)鋁塑復(fù)合膜熱封部位會自行破開，將壓力自動釋放，避免安全問題的進(jìn)一步加劇，具備其特有的安全優(yōu)勢。另外，從以下角度開展設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步提升安全性能。

1.1 電解液設(shè)計(jì)優(yōu)化

采用有機(jī)含磷化合物添加劑可以改善電池的安全性能，基本原理是阻燃添加劑受熱時(shí)，釋放出具有阻燃性能的自由基，該自由基可以捕獲氣相中的氫自由基或氫氧自由基，從而阻止這些自由基的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，使有機(jī)電解液的燃燒無法進(jìn)行或難以進(jìn)行，提高鋰離子電池的安全性能。使易燃有機(jī)電解液變成難燃或不可燃，降低電池放熱值和電池自熱率，同時(shí)也提高電解液自身的熱穩(wěn)定性，改善熱失控而導(dǎo)致的安全問題。

1.2 電解液中添加防過充添加劑

過充是電池最大的安全風(fēng)險(xiǎn)之一，采用氧化還原添加劑可以有效提升電池的抗過充性能。其原理是在鋰電池正常充電時(shí)不和電解液的任何組分發(fā)生化學(xué)或者電化學(xué)反應(yīng)，在電池發(fā)生過充或者充電電壓高于電池正常工作電壓達(dá)到添加劑氧化分解電位時(shí)，添加劑在正極附近被氧化形成活性分子，活性分子通過隔膜擴(kuò)散到負(fù)極再被還原形成中性分子，中性分子再擴(kuò)散到正極被氧化，這個(gè)過程一直持續(xù)到電池過充電結(jié)束，并建立一個(gè)氧化還原平衡的過程，在整個(gè)過充中，氧化產(chǎn)物和還原產(chǎn)物往復(fù)反應(yīng)消耗掉電解液中過剩的帶電離子和基團(tuán)，最終以放熱的方式散發(fā)，從而起到保護(hù)電解液的作用。

1.3 正極材料優(yōu)化

為了實(shí)現(xiàn)更高的比能量，高鎳三元材料的使用成為一個(gè)優(yōu)先的選擇，然而，高鎳三元存在結(jié)構(gòu)及熱穩(wěn)定性差、電極材料/電解液界面復(fù)雜等缺點(diǎn)，安全挑戰(zhàn)極大。為了解決此安全問題，需要對正極材料進(jìn)行優(yōu)化改善，可以進(jìn)行材料的特殊表面包覆，使用安全顆粒進(jìn)行包裹以改善其安全性能。摻雜一定比例的安全性更好的材料也是一個(gè)解決方向，但這會導(dǎo)致比能量的下降，如何實(shí)現(xiàn)比能量與安全的平衡，這還需要深入的研究。

1.4 負(fù)極材料優(yōu)化

硅基負(fù)極的開發(fā)是實(shí)現(xiàn)高能量密度電池的必經(jīng)之路。目前對動力電池用硅基負(fù)極的研究集中在硅碳（Si-C）復(fù)合材料和SiO材料方面，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、表面改性、預(yù)鋰化和材料復(fù)合等方式是解決起安全問題的考慮途徑，但是硅負(fù)極的反應(yīng)機(jī)理、失效機(jī)理、改善措施等方面的系統(tǒng)性研究較少，需要從機(jī)理角度開展研究分析，并盡可能減少硅基負(fù)極在循環(huán)過程中的體積變化，以提高其循環(huán)壽命及安全性能。

1.5 選用高安全性的涂層隔膜

選用高安全性和熱穩(wěn)定性的陶瓷涂層隔膜。當(dāng)電池內(nèi)部升到一定溫度時(shí)，多孔結(jié)構(gòu)的隔膜會發(fā)生熔化導(dǎo)致微孔結(jié)構(gòu)關(guān)閉，內(nèi)阻迅速增加而阻斷電流通過。并且由于陶瓷層的存在，保障了隔膜在受熱時(shí)的收縮度，防止由于隔膜收縮使得電池正負(fù)極直接短路從而散發(fā)出更多的熱量導(dǎo)致起火等事件的發(fā)生。

2 軟包裝鋰離子動力電池系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)

單體電芯的安全性是電池系統(tǒng)的安全性能的重要影響因素，針對單體電芯可能產(chǎn)生安全問題的影響因素，可以通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)避免各影響因素的觸發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)電池系統(tǒng)產(chǎn)品的安全。

2.1 電源模塊設(shè)計(jì)

軟包裝鋰離子電池在電芯層級的安全性毋庸置疑，但其機(jī)械強(qiáng)度弱，如何在成組過程中實(shí)現(xiàn)良好的保護(hù)，保障其機(jī)械安全及熱安全，是電池模塊設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。目前成熟可靠的設(shè)計(jì)方法可以采用塑料支架與導(dǎo)熱鋁片結(jié)合的方式組成電池單元，通過塑料支架將單體電芯進(jìn)行四周保護(hù)，通過導(dǎo)熱鋁片將單體電芯的熱量及時(shí)傳遞，通過多個(gè)單元的串并聯(lián)組合，兩端通過端面板緊固，并通過扎帶或長螺栓固定加強(qiáng)，組成熱管理優(yōu)異的耐振動電壓模塊，以保障電池的機(jī)械安全及熱安全。

2.2 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電池模塊通過電氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電氣連接，通過繼電器、保險(xiǎn)絲、預(yù)充電回路及高壓互鎖功能接插件，實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)、過流防護(hù)、預(yù)充電、高壓互鎖等多項(xiàng)電氣防護(hù)功能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中需要關(guān)注電氣間隙及爬電距離，保障電氣安全，電氣件選型需要結(jié)合系統(tǒng)參數(shù)開展，并需要關(guān)注環(huán)境耐久性，目前國內(nèi)尚需基于老化機(jī)理和可靠性理論開展進(jìn)一步的研究，進(jìn)而根據(jù)全壽命周期內(nèi)的電氣安全性和可靠性來設(shè)計(jì)和驗(yàn)證電氣系統(tǒng)的安全，以保障電池系統(tǒng)在全壽命周期內(nèi)的安全使用。

2.3 電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電池管理系統(tǒng)是電池監(jiān)控及主動防護(hù)的關(guān)鍵部件，通過電池管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控單體電芯的電壓、溫度、電流，并通過強(qiáng)大的算法實(shí)時(shí)估計(jì)電池組的SOC（核電狀態(tài)），及時(shí)向車輛發(fā)送電池組允許的最大充放電功率（或電流）信息，以保障單體電芯在安全合理的條件下使用，同時(shí)監(jiān)控電池系統(tǒng)的絕緣電阻狀態(tài)、高壓互鎖狀態(tài)，保障系統(tǒng)層級的電氣安全。在出現(xiàn)異常情況時(shí)，電池管理系統(tǒng)可以控制繼電器斷開高壓回路，這是電池系統(tǒng)安全的重要保障。

2.4 熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

良好的熱管理系統(tǒng)可以保障單體電芯的溫度控制在合理的工作范圍內(nèi)，尤其避免出現(xiàn)過溫情況，保證電池系統(tǒng)的熱安全。目前常見的設(shè)計(jì)方式有自然散熱、風(fēng)冷系統(tǒng)和液冷系統(tǒng)，其中以液冷系統(tǒng)散熱效果最佳，可以控制溫差在3℃以內(nèi)，可以兼顧散熱和加熱兩種需求，目前成為各家企業(yè)考慮的重點(diǎn)。為了保障電池系統(tǒng)在極端危險(xiǎn)情況下的安全，熱失控防護(hù)設(shè)計(jì)也成為了必須要考慮的方向。需要通過隔熱材料將電池組分割為安全的獨(dú)立單元，當(dāng)單體電芯出現(xiàn)熱失控時(shí)，可以阻隔熱失控的擴(kuò)散傳導(dǎo)或延緩擴(kuò)散速度，保障乘客安全。

2.5 電池組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電池系統(tǒng)里的各個(gè)部件，最終要通過電池組結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)固定和集成。電池組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既要保障各個(gè)部件的良好固定，保障各個(gè)部件之間的安全隔離與防護(hù)，還要保障整個(gè)電池組的機(jī)械安全，另外往往還需要實(shí)現(xiàn)IP67的防護(hù)要求，以保障車輛的涉水安全。實(shí)現(xiàn)好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，強(qiáng)大的有限元分析是必不可少的條件，通過有限元分析，可以用最輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料來保障系統(tǒng)的耐振動、耐沖擊性能，最終還要通過振動測試、沖擊測試以及車輛的綜合耐久測試來實(shí)現(xiàn)全面完整的測試驗(yàn)證，保障系統(tǒng)的機(jī)械安全。

3 結(jié)論

隨著電池技術(shù)的日益進(jìn)步，鋰離子電池的比能量也越來越高，安全設(shè)計(jì)成為產(chǎn)品開發(fā)的關(guān)鍵，軟包裝鋰離子電池在安全方面具備其特有的優(yōu)勢，但仍需在單體電芯及電池系統(tǒng)層級進(jìn)行多方面的安全設(shè)計(jì)，以保障產(chǎn)品的最終安全應(yīng)用，推進(jìn)新能源行業(yè)健康發(fā)展。