鋰離子電池內(nèi)部短路研究綜述*

茍琦智 許冀陽 孟 妮

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院汽車工程學院 陜西 咸陽 712000）

引言

鋰離子電池憑借比能量高、循環(huán)壽命長等優(yōu)越性能，被廣泛應(yīng)用于電動汽車領(lǐng)域。然而近些年電池自燃等熱失控安全事故頻發(fā)，嚴重影響電動汽車長足發(fā)展，因此抑制熱失控，提高鋰離子電池安全性已成為電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重中之重。鋰離子電池在實際工作的充放電復雜工況中，雖然在電池能量管理系統(tǒng)（BMS）作用下，能夠盡可能實現(xiàn)正常運行，但是在過充、過放、過熱等特殊情況下仍會發(fā)生機械濫用、電濫用和熱濫用，從而引起電池性能的快速衰退，進而發(fā)生電池內(nèi)短路，最后導致熱失控安全問題。本文從內(nèi)短路原理、誘發(fā)實驗方法、內(nèi)短路識別方法和預防抑制措施等四個方面進行系統(tǒng)研究，為鋰離子電池內(nèi)短路識別方法和預防措施提供思路，為鋰離子電池安全防護和應(yīng)用提供借鑒[1-2]。

1 內(nèi)短路機理研究

內(nèi)短路觸發(fā)條件可分為三種：機械濫用、電濫用和熱濫用，如圖1 所示。其中，機械濫用是通過針刺和擠壓等使電池發(fā)生機械變形和隔膜部分破裂，觸發(fā)電池內(nèi)部短路；電濫用是導致電池析鋰、枝晶生長，穿過隔膜孔隙連接起電池正負極部分，引起電池內(nèi)短路；熱濫用是高溫使得隔膜大規(guī)模收縮崩潰，造成電池內(nèi)短路。鋰離子電池發(fā)生內(nèi)短路時，會產(chǎn)生大電流和大量的局部熱量，最終導致發(fā)生熱失控[3-4]。

內(nèi)短路存在于電池的全生命周期范圍內(nèi)，可以將其發(fā)展演化過程分為初期、中期和末期[5-6]，如表1所示。

表1 內(nèi)短路演化過程的特征變化

內(nèi)短路初期階段，由于內(nèi)短路引起的電壓下降較為緩慢，同時產(chǎn)生的熱量較少能夠被冷卻系統(tǒng)及時散去，電池溫度無明顯變化，該階段持續(xù)時間較長且不易被發(fā)現(xiàn)；內(nèi)短路中期階段，電壓下降明顯，產(chǎn)生的熱量較多不能及時散去造成熱量積累，電池溫度明顯升高，該階段持續(xù)時間較短，特征明顯，較易被識別；內(nèi)短路末期階段，電池大面積短路導致電池電壓降為0 V，瞬間產(chǎn)生大量熱量，發(fā)生電池熱失控，該階段持續(xù)時間極短且無法阻斷。內(nèi)短路演化過程的特征變化統(tǒng)計如表1 所示。

2 內(nèi)短路誘發(fā)實驗方法

目前鋰離子電池內(nèi)短路誘發(fā)實驗方法主要可分為濫用條件法、人工設(shè)計內(nèi)部缺陷法和等效電阻法等三類[7]?，F(xiàn)將幾種鋰離子電池內(nèi)短路誘發(fā)實驗方法觸發(fā)機理和優(yōu)缺點分析統(tǒng)計如表2 所示。

表2 鋰離子電池內(nèi)短路誘發(fā)實驗方法

3 內(nèi)短路識別方法分析

為了避免內(nèi)短路發(fā)展到末期階段發(fā)生不可阻斷的熱失控，研究者們長期致力于精確識別鋰電池初期、中期內(nèi)短路方法研究，現(xiàn)將目前關(guān)于內(nèi)短路識別方法總結(jié)歸納為以下5 類：

1）實測數(shù)據(jù)偏差識別法：該方法需要建立可靠的電池狀態(tài)預測模型，然后將電池充放電過程中電壓、溫度等參數(shù)的實時實測值與模型預測值進行比較分析，若計算偏差超過了誤差允許的范圍，則判斷電池發(fā)生了內(nèi)短路。由于內(nèi)短路初期電池電壓、溫度等特征參數(shù)變化不明顯，該方法對初期內(nèi)短路的識別效果有限且無法識別并聯(lián)電池組的內(nèi)短路。

2）電壓信號異常識別法：該方法基于陶瓷隔膜類電池內(nèi)短路時會發(fā)生非正常的電壓突降-回升現(xiàn)象[8]這一原理，通過檢測電池充放電過程中電池電壓信號是否存在電壓突降-回升異?，F(xiàn)象，一旦檢測到異?，F(xiàn)象，判斷電池發(fā)生了內(nèi)短路。由于只有涂覆了多孔保護材料電池隔膜類電池發(fā)生內(nèi)短路時存在電壓突降-回升異?，F(xiàn)象，所以該方法只能識別特定電池類型的串聯(lián)電池組內(nèi)短路，局限性較大。

3）電池自放電識別法：電池內(nèi)短路必然引起超出正常范圍的自放電過程，通過靜置前后電壓對比、對標恒壓源等檢測方法，檢測電池是否存在不正常的自放電過程，若存在，則判斷電池發(fā)生了內(nèi)短路[9]。由于該方法均需將電池靜置，要求電池處在非工作狀態(tài)，所以該方法無法進行電池工作時的實時識別和并聯(lián)電池組的內(nèi)短路識別。

4）電池的一致性識別法：基于電池單體之間具有一致性的假設(shè)，通過監(jiān)測同一電池組中各電池單體的電壓、容量、剩余電量等參數(shù)，若存在某電池單體參數(shù)嚴重偏離其他單體正常參數(shù)，破壞了電池整體一致性，則判斷該電池單體發(fā)生了內(nèi)短路[10]。由于內(nèi)短路初期電池電壓、容量等特征參數(shù)變化不明顯，該方法對初期內(nèi)短路的識別效果有限且無法識別并聯(lián)電池組的內(nèi)短路。

5）特殊電路識別法：通過檢測對稱環(huán)形電路拓撲結(jié)構(gòu)中電壓以及電流等參數(shù)，如果發(fā)現(xiàn)電路參數(shù)對稱性發(fā)生改變，則可以準確判斷發(fā)生內(nèi)短路的電池單體位置[6]。該方法解決了電池組在并聯(lián)情況下的內(nèi)短路高精確識別和阻值估計，但存在檢測設(shè)備成本高，影響電池動態(tài)一致性等問題。

4 內(nèi)短路抑制措施

引起電池內(nèi)短路的因素總體上可分為兩類：電池材料和工藝方面和電池設(shè)計使用方面[11-12]。從以上兩方面將抑制和預防內(nèi)短路發(fā)生的方法總結(jié)如下：

4.1 電池材料和工藝方面

主要通過隔膜材料和電解液材料改進、正負極涂層、改進生產(chǎn)流程以降低生產(chǎn)缺陷等幾方面進行。

通過使用耐高溫、低自放電率的陶瓷隔膜和阻燃電解液或離子液體電解質(zhì)，可有效抑制枝晶生長，降低內(nèi)短路風險。通過在電池單體的集流體或正負極上涂覆低導電性涂層或正溫度系數(shù)材料，在電池內(nèi)短路時，能夠有效降低內(nèi)短路電流和產(chǎn)熱能力，從而降低引發(fā)電池熱失控的機率。優(yōu)化電池電芯、隔膜等材料的生產(chǎn)工藝和雜質(zhì)去除工藝，有效濾除金屬雜質(zhì)，防止金屬雜質(zhì)與電解液產(chǎn)生不可逆副反應(yīng)同時降低金屬顆粒刺穿隔膜導致內(nèi)短路的風險。另外采用先進檢測技術(shù)檢測電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整度、加工精度和極片對齊度也能夠避免潛在內(nèi)短路風險。

4.2 電池設(shè)計使用方面

在電池軟件設(shè)計方面，通過BMS 設(shè)置合理的電池預警和電池安全控制策略，實現(xiàn)電池單體狀態(tài)實時監(jiān)控，及時檢測出發(fā)生內(nèi)短路電池單體位置并及時排除安全隱患。通過電芯充放電冗余和均衡性設(shè)計，減少因電池高負荷引發(fā)內(nèi)短路的風險。

在電池硬件設(shè)計方面，將電池保險絲分層細化為電池單體保險絲、模組保險絲、電池包保險絲、整車用電負載保險絲等，通過分層管理，能夠及時切斷內(nèi)短路電池單體電路，阻止內(nèi)短路持續(xù)發(fā)展。合理設(shè)計電池內(nèi)部冷卻系統(tǒng)，增加導熱能力，防止因過熱引起的正負極、電解液和隔膜分解反應(yīng)導致的熱失控。合理設(shè)計電池內(nèi)部加熱系統(tǒng)，在低溫充電時進行電池預熱至適宜的工作溫度，避免低溫充電產(chǎn)生枝晶刺破隔膜引起的熱失控。

5 結(jié)論

鋰離子電池內(nèi)部是一種復雜的非線性電化學系統(tǒng)，其內(nèi)短路故障觸發(fā)原因多樣，研究難度極大。綜合近幾年國內(nèi)外研究成果，內(nèi)短路的檢測和仿真研究雖取得一定進展，但內(nèi)短路研究仍存在一些問題亟待解決。

1）內(nèi)短路誘發(fā)實驗種類繁多，尚未形成國家或行業(yè)統(tǒng)一標準。在電池內(nèi)短路初期形成到發(fā)展為熱失控的全過程中設(shè)計定量可控并貼近真實情況的內(nèi)短路誘發(fā)實驗是未來研究的重點。

2）內(nèi)短路識別對象單一，復雜結(jié)構(gòu)電池內(nèi)短路識別問題仍需解決。針對混聯(lián)結(jié)構(gòu)電池組，尋找更靈敏的特征參數(shù)，進行多特征參數(shù)耦合判斷內(nèi)短路成為需攻克的難點。

3）內(nèi)短路抑制措施多樣，電池內(nèi)短路問題仍未根除。綜合考慮電池材料、工藝、設(shè)計和使用等方面，多措并舉抑制和預防電池內(nèi)短路，將電池內(nèi)短路引發(fā)的熱失控風險降至最低。