方形鋰電池絕緣低問題分析及其預(yù)防措施★

覃麗超，盧 晨，王陸陽(yáng)，李 彬，黃祖朋

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心，廣西汽車新四化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 柳州 545007）

引言

在大規(guī)模儲(chǔ)能、智能電網(wǎng)、清潔能源汽車和消費(fèi)電子產(chǎn)品迅猛發(fā)展的主格局下，人們對(duì)電子儲(chǔ)能器件性能、可靠性、安全性的要求越來(lái)越高。鋰離子電池因能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、高倍率性能等優(yōu)勢(shì)成為了應(yīng)用最廣泛、技術(shù)成熟的電化學(xué)儲(chǔ)能器件之一。但鋰離子電池在生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用過程中會(huì)出現(xiàn)某些失效現(xiàn)象，即便單一電池出現(xiàn)了失效現(xiàn)象，也會(huì)影響到整個(gè)電池組的性能和可靠性，甚至?xí)?dǎo)致電池組停止工作或其它安全問題[1]。相對(duì)于圓柱形和軟包裝鋰電池，方形鋰電池因封裝可靠度高，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，在電動(dòng)汽車領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外發(fā)生的多起與動(dòng)力電池相關(guān)起火爆炸事故，動(dòng)力電池安全性問題也得到了極大的關(guān)注。電芯短路輕則造成電芯漏液，動(dòng)力電池發(fā)生絕緣故障，重則引起動(dòng)力電池系統(tǒng)起火。本文對(duì)某方形鋰電池模組絕緣低排查案例進(jìn)行原因分析，并對(duì)其電芯殼體腐蝕的失效過程及機(jī)理進(jìn)行討論，提出改進(jìn)方法。

1 某方形鋰電池模組絕緣低排查案例分析

1.1 排查過程

某動(dòng)力電池檢查發(fā)現(xiàn)一個(gè)模組絕緣值遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值，僅0.113 MΩ，檢查發(fā)現(xiàn)模組1號(hào)電芯底部殼體有明顯電解液腐蝕跡象，Bus bar片連接完好，模組Pin針無(wú)異常，未出現(xiàn)彎折等。排查模組制程數(shù)據(jù)未發(fā)現(xiàn)異常，對(duì)故障模組進(jìn)行電性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其電壓和內(nèi)阻參數(shù)正常，絕緣異常。對(duì)故障模組進(jìn)行拆解，各電芯藍(lán)膜完好，1號(hào)電芯底部電解液泄露明顯，撕除藍(lán)膜后發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕點(diǎn)。排查1號(hào)電芯制程數(shù)據(jù)未發(fā)現(xiàn)異常。電芯負(fù)對(duì)殼電壓實(shí)測(cè)0.596 V（規(guī)格不小于1.5 V），開殼后電壓未恢復(fù)，兩JR外觀正常，底部無(wú)破損，極耳焊接處無(wú)搭接頂蓋；JR拆除后，實(shí)測(cè)電芯負(fù)極柱與頂蓋阻值為0，如圖1所示。對(duì)電芯頂蓋進(jìn)行CT分析，發(fā)現(xiàn)負(fù)極柱內(nèi)上塑膠與頂蓋片間有金屬異物，負(fù)極柱與頂蓋連通，如圖2所示。

圖1 異常電芯分析圖片

圖2 電芯頂蓋CT分析結(jié)果

1.2 原因分析

對(duì)電芯頂蓋制程進(jìn)行排查，極柱、PPS來(lái)料與極柱注塑工序?yàn)轱L(fēng)險(xiǎn)工序。電芯頂蓋金屬絲導(dǎo)致短路的原因主要有2個(gè)。一是注塑配件引入：外型落料工序，刀口間隙過大，負(fù)極柱墩壓產(chǎn)生銅顆粒；PPS來(lái)料混入不銹鋼顆粒，注塑時(shí)嵌入零件PPS中。二是設(shè)備引入：烘料機(jī)于注塑機(jī)機(jī)未進(jìn)行封閉式管理投料，存在車間金屬顆粒吸入PPS原料風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 失效過程分析

電芯頂蓋絕緣層混有金屬屑，電芯頂蓋電測(cè)使用PC500 V電壓測(cè)試2s，要求絕緣電阻不小于200 MΩ的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試通過，500 V電壓無(wú)法擊穿間隙，電芯焊接巴片后，負(fù)極鋁塊受熱使表面的絕緣層（PP材料）融化，金屬屑隨融化的絕緣層流動(dòng)至負(fù)極住邊緣；負(fù)極鋁塊絕緣層融化后再冷卻，塑膠凝固收縮，使極柱和頂蓋片之間有了空隙；金屬屑在空隙中因?yàn)檎饎?dòng)而移動(dòng)，偶然會(huì)使負(fù)極柱和頂蓋片導(dǎo)通，在不斷的充放電過程中，電芯殼體慢慢發(fā)生腐蝕，從而導(dǎo)致電芯漏液，絕緣值低。

2 腐蝕機(jī)理

方形鋰離子電芯的腐蝕實(shí)際上是鋁殼形成鋁鋰合金的過程，需要滿足兩個(gè)必要條件，其一是電子短路，即鋁殼具有低電位的負(fù)極；其二是離子短路，即鋁殼接觸電解液中的鋰離子[2]。

正常電芯負(fù)極柱與殼體通過絕緣層隔開，殼體處于高電位，當(dāng)負(fù)極柱與頂蓋片存在金屬屑發(fā)生導(dǎo)通，負(fù)極柱與鋁殼發(fā)生短路，鋁殼將具有腐蝕電位條件，鋁殼電位顯著降低（鋁殼起始嵌鋰電位約為1.4 V）。與此同時(shí)，鋁殼與電解液中的鋰離子接觸，低電位的鋁殼將與鋰離子發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，如圖3所示。

圖3 電芯等效模型

負(fù)極：L ixC6→6C+xL i++xe-

正極：A l+xL i++xe-→LixA l

電子由負(fù)極轉(zhuǎn)移至鋁殼，鋰離子嵌入鋁殼形成鋁鋰合金，可分為三個(gè)階段：階段Ⅰ鋁氧化物的還原；階段Ⅱ的形成；階段Ⅲ理論上會(huì)形成。隨著鋰嵌入程度提高，與空氣中的氧氣和二氧化碳反應(yīng)，生成堿金屬鹽[3]，鋁殼逐漸被腐蝕。電芯四周有mylar包覆絕緣，僅有底部有定位孔及合攏間隙，故常見于電芯底部腐蝕。

3 預(yù)防措施

1）加強(qiáng)工藝管控，減少引入金屬異物的風(fēng)險(xiǎn)。負(fù)極墩壓落料模具鑲件采用高強(qiáng)度鋼，減小刀口間隙，減少毛刺的產(chǎn)生；增加拋震時(shí)間，確保毛刺被充分打磨；PPS原材粒子，包裝前增加金屬分離器進(jìn)行分離包裝。吸料管與烘料機(jī)綁定，減少吸附車間particle風(fēng)險(xiǎn)。

2）加強(qiáng)電芯頂蓋的下線絕緣檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。本案例中追溯故障電芯頂蓋的出廠電測(cè)數(shù)據(jù)合格，由此可見當(dāng)前測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)500 V電壓無(wú)法擊穿金屬屑、負(fù)極柱與頂蓋片的間隙，無(wú)法檢出此類故障類型的電芯頂蓋。保持DC500V hi pot電壓絕緣電阻200 MΩ檢驗(yàn)前提下，檢成品測(cè)試增加1道1 500 V 2 s 2 mA耐高壓電阻100%成品測(cè)試已做正向驗(yàn)證，1 500 V檢測(cè)不通過的樣品CT結(jié)果顯示金屬絲存在。

4 結(jié)語(yǔ)

金屬異物極易引發(fā)鋰離子電池發(fā)生內(nèi)部短路，而短路又是產(chǎn)生熱失控的最常見原因，由此可見鋰離子電池生產(chǎn)過程中金屬異物管控的重要性。電池安全性問題需要廣大技術(shù)人員一同努力推進(jìn)，使電池生產(chǎn)工藝異物管控做的越來(lái)越好。