某三元鋰離子電池?cái)D壓安全閾值試驗(yàn)研究

劉 青，梁新龍，韋 鵬，呂希祥，江 勇

(合肥國(guó)軒高科動(dòng)力能源有限公司，安徽合肥 230091)

新能源汽車的快速發(fā)展離不開動(dòng)力電池在技術(shù)方面的不斷突破，如能量密度、充電時(shí)長(zhǎng)、換電技術(shù)、循環(huán)壽命、續(xù)航歷程等方面。但新能源汽車在行駛過(guò)程中發(fā)生碰撞后引起起火甚至爆炸的事件不斷被報(bào)道，又讓人們對(duì)新能源汽車動(dòng)力電池的安全性擔(dān)憂[1-2]。因此研究鋰離子電池在擠壓時(shí)的安全閾值有重要意義。許萬(wàn)等[3]通過(guò)對(duì)某型號(hào)三元鋰離子電池長(zhǎng)、寬、高三個(gè)方向進(jìn)行擠壓試驗(yàn)，分析了電芯不同方向擠壓的失效情況，并得出在長(zhǎng)度方向更易發(fā)生熱失控，同時(shí)證明了模組擠壓與電芯單體擠壓在長(zhǎng)度方向情況一致。董思捷等[4]以圓柱形鋰離子電池為例分析了局部壓痕、平面壓縮可能導(dǎo)致的失效模式，并通過(guò)試驗(yàn)得出隨著電芯容量的增加，電芯的承載能力降低，擠壓容限位移減小。朱曉慶等[5]綜述了鋰離子電池?zé)崾Э氐陌l(fā)生條件及機(jī)理，同時(shí)總結(jié)了提升電池系統(tǒng)安全性的方法。LI 等[6-7]對(duì)不同外形的電芯(方形、圓柱、軟包)的溫度、電壓、位移、載荷方面進(jìn)行了討論，并得出荷電狀態(tài)對(duì)圓柱形電池的機(jī)械性能影響更大。許輝勇等[8]總結(jié)了電池系統(tǒng)熱失控的影響因素，并提出影響的本質(zhì)因素為電池的化學(xué)體系和內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

本文以某款方形鋰離子動(dòng)力電池為研究對(duì)象，滿電電壓4.220 V，通過(guò)常溫針刺擠壓試驗(yàn)機(jī)、日本日置數(shù)據(jù)采集儀、自制電芯夾緊裝置研究了電芯單體不同位置擠壓情況，得出此款電芯不同方向不同位置的安全閾值范圍。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)對(duì)象為某型號(hào)鋰離子三元電芯，額定容量55 Ah，本文研究電池以正極鎳鈷錳(LiNiCoMnO2，NCM)及石墨負(fù)極的化學(xué)材料體系為主，電芯表面包裹藍(lán)膜便于絕緣，電芯示意圖見圖1。此次擠壓分三個(gè)面，方形電芯大面稱為A 面，均分為1～9 號(hào)九個(gè)位置，側(cè)面為B 面，自上而下均分為1～3 號(hào)三個(gè)位置，底面為C 面自左向右均分為1～3 號(hào)三個(gè)位置，如圖2所示。具體電芯參數(shù)見表1。

表1 電芯參數(shù)

圖1 電芯示意圖

圖2 左起依次為C、A、B擠壓位置示意圖

擠壓試驗(yàn)采用的設(shè)備有：常溫針刺擠壓試驗(yàn)機(jī)(型號(hào)RJD-ZJ-RT-5T-1000D)，擠壓力范圍1～50 kN，擠壓力精度±0.7 kN，擠壓頭直徑為25 mm；電壓、溫度采集設(shè)備日本日置數(shù)據(jù)采集儀LR8450，電壓采集精度0.001 V，溫度采集精度0.1 ℃；自制電芯夾緊裝置(圖3)；萬(wàn)用表、千分尺等。在對(duì)大面A 進(jìn)行擠壓試驗(yàn)之前，使用萬(wàn)用表測(cè)量電芯電壓、容量等情況確保電芯正常，并記錄數(shù)據(jù)，為避免擠壓過(guò)程中擠壓頭與電芯外殼出現(xiàn)導(dǎo)電現(xiàn)象，將擠壓頭用專用絕緣膠帶包裹，電芯與擠壓設(shè)備間采用環(huán)氧板隔斷。電壓采集線分別與電芯正、負(fù)極連接，并用絕緣膠帶分別包裹電芯正、負(fù)極；溫度采集線貼于電芯待擠壓位置附近，并用絕緣膠帶固定。溫度及電壓采集位置以A 面1 號(hào)位置為例(圖4)。需要注意的是電壓及溫度采集時(shí)間需要與擠壓機(jī)采集時(shí)間保持一致。為了模擬電芯側(cè)面B 及底面C 在電池包中受載時(shí)的真實(shí)狀態(tài)，擠壓B、C面時(shí)，采用兩只非試驗(yàn)電芯將待測(cè)電芯夾持一起放入工裝內(nèi)夾緊，具體電芯安裝狀態(tài)見圖5。擠壓參數(shù)見表2。

表2 相關(guān)擠壓參數(shù)設(shè)置

圖3 裝夾工裝示意圖

圖4 A面1號(hào)位置電壓及溫度采集位置示意圖

圖5 B、C、A 面擠壓示意圖

本次試驗(yàn)分為兩組進(jìn)行，分組計(jì)劃如表3 所示。

表3 試驗(yàn)分組信息

第1 組試驗(yàn)可以初步得到每個(gè)位置擠壓過(guò)程的失效位移，每個(gè)待擠壓位置選定一個(gè)電芯進(jìn)行擠壓直至電壓變化或出現(xiàn)冒煙起火等失效現(xiàn)象為止，通過(guò)收集擠壓過(guò)程中電壓、位移、溫度及擠壓全程錄像并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，得到此位置電芯失效的初步失效位移。

第2 組試驗(yàn)可以得到電芯每個(gè)位置的準(zhǔn)確安全閾值，將以第1 組試驗(yàn)電芯失效位移為上限值繼續(xù)下探。

2 結(jié)果與討論

第1 組試驗(yàn)擠壓至電芯失效，如圖6 所示，通過(guò)試驗(yàn)得到失效形式存在多樣性特點(diǎn)，如殼體破裂未出現(xiàn)電壓降低或起火爆炸、殼體破裂起火爆炸、殼體未破裂溫度升高、電壓降低等。試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)起火、爆炸、電壓突降、溫度升高等現(xiàn)象實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)后立即停止擠壓并記錄試驗(yàn)過(guò)程中相關(guān)數(shù)據(jù)。同時(shí)監(jiān)測(cè)擠壓力曲線變化，試驗(yàn)人員若發(fā)現(xiàn)擠壓力曲線出現(xiàn)短時(shí)水平后上升或下降后再上升，立即停止試驗(yàn)，查看電芯殼體是否已經(jīng)破裂。通過(guò)上述監(jiān)測(cè)方式，得到電芯不同擠壓位置失效位移區(qū)間，如表4 所示。

表4 第1 組試驗(yàn)電芯失效位移 mm

圖6 擠壓失效模式

第1 組試驗(yàn)所得到的電芯不同位置的失效閾值較為粗糙，通過(guò)對(duì)起火、爆炸、破裂、漏液等失效件的分析，得到所有起火、爆炸失效件的防爆閥皆完好，起火噴射位置為受擠壓位置。由此可見電芯受擠壓內(nèi)部發(fā)生短路后，溫度升高，內(nèi)壓增大時(shí)，此壓力不足以達(dá)到防爆閥開啟壓力就已經(jīng)發(fā)生外泄；同時(shí)也說(shuō)明起火、爆炸發(fā)生于電池外殼破裂漏液之后。觀察擠壓破裂位置的外殼裂口較大，故而設(shè)定失效閾值統(tǒng)一減2 mm 后作為第2 組試驗(yàn)第一只電芯擠壓的初始位移截止條件值。每個(gè)位置第二只電芯的截止條件根據(jù)第一只電芯的擠壓結(jié)果判斷，若異常，則截止條件繼續(xù)減1～2 mm，依次往下直至無(wú)異常；若無(wú)異常，則增加1～2 mm，依次往上增加直至有異常，找到安全閾值后，增加一只電芯確認(rèn)此閾值。

第1 組試驗(yàn)同時(shí)也得到不同面不同位置的剛度曲線，如圖7 所示。A 面1～3 號(hào)位置的剛度曲線重合度較高，可說(shuō)明此三個(gè)位置剛度相當(dāng)。A 面4～9 號(hào)位置的剛度曲線一致，剛度相當(dāng)，且在1～3 號(hào)位置上方，說(shuō)明4～9 號(hào)位置的剛度優(yōu)于1～3 號(hào)位置。從圖7 可以得出B 面及C 面不同位置的剛度基本相當(dāng)。圖7(d)中，A 面曲線在B、C 面上方，由此可知，A 面的剛度高于B、C 面的剛度，B 面與C 面剛度基本一致。

圖7 擠壓力與位移曲線

為了更深層次地了解相同面不同位置及不同面剛度不同的原因，對(duì)電芯進(jìn)行了拆解，如圖8 所示。此款電芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)為兩個(gè)卷芯疊放在一起，對(duì)兩卷芯銅箔及鋁箔分別與電芯極柱進(jìn)行連接后放入電芯殼體中，再將電芯上蓋與殼體進(jìn)行密封連接。由于銅箔、鋁箔連接關(guān)系及密封等占用了一定的空間，因此電芯上蓋到卷芯約有10 mm 左右的間隙，A 面1～3號(hào)位置卷芯受擠壓時(shí)更易向上方變形，而A 面其他位置卷芯受擠壓變形更加困難，這是導(dǎo)致A 面1～3 號(hào)位置剛度較4～9號(hào)位置剛度弱的主要原因。A 面為卷芯正面，B 面、C 面為兩個(gè)卷芯疊加的側(cè)面及底面，A 面受擠壓時(shí)，卷芯正面受到擠壓，難以向兩側(cè)延伸變形，而B、C 面受到擠壓時(shí)，卷芯發(fā)生屈曲變形，更易向兩側(cè)潰縮、擠壓，造成電芯A 面鼓包，故而，電芯B、C 面剛度低于電芯A 面剛度。

圖8 電芯拆解圖片

通過(guò)第2 組試驗(yàn)得到電芯每個(gè)位置的具體安全閾值，試驗(yàn)部分圖片如圖9 所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5～6 所示。

表6 第2 組試驗(yàn)數(shù)據(jù)(側(cè)面B 和底面C) mm

圖9 擠壓圖片

由表5～6 可知，大面A 的1 號(hào)位置位移截止條件設(shè)定為9、8 mm 時(shí)均發(fā)生殼體破裂、漏液現(xiàn)象，而位移截止條件設(shè)定為7 mm 時(shí)，兩只電芯均無(wú)殼體破裂、漏液、電壓下降、溫度升高等現(xiàn)象，由此可得大面A 的1 號(hào)位置的安全閾值為7 mm。同理，大面A 的2、3 號(hào)位置的安全閾值均為6 mm，大面4 號(hào)、6～9 號(hào)位置安全閾值為8 mm，大面5 號(hào)位置安全閾值為10 mm；側(cè)面1～3 號(hào)位置的安全閾值為7 mm；底面1 號(hào)、3 號(hào)位置安全閾值為23 mm，底面2 號(hào)位置安全閾值為19 mm。

大面1～3 號(hào)位置靠近電芯正、負(fù)極附近，其安全閾值均為6～7 mm，而大面4～9 號(hào)位置較1～3 號(hào)位置離電芯正、負(fù)極較遠(yuǎn)，其安全閾值均為8～10 mm，由此可見電芯正負(fù)極較其他位置的受擠壓安全閾值更小，更加容易發(fā)生失效。側(cè)面1～3號(hào)位置安全閾值均為7 mm，與大面1～3 號(hào)位置的安全閾值6～7 mm 較為接近，擠壓時(shí)容易失效。底面1、3 號(hào)位置安全閾值為23 mm，底面2 號(hào)位置的安全閾值為19 mm，可見底面1 號(hào)、3 號(hào)位置較底面2 號(hào)位置更安全，同時(shí)底面安全閾值為19～23 mm，較正面及側(cè)面位置更不易發(fā)生失效。

3 結(jié)論

本文將電芯的大面均分為9 個(gè)位置，側(cè)面及底面分別均分為3 個(gè)位置，然后依次對(duì)不同位置進(jìn)行擠壓試驗(yàn)，得到大面1～3 號(hào)位置剛度較4～9 號(hào)位置低，側(cè)面及底面剛度較大面低，主要是由電芯內(nèi)部的卷芯堆疊結(jié)構(gòu)造成的。

試驗(yàn)得到大面1～3 號(hào)位置安全閾值為6～7 mm，側(cè)面安全閾值為7 mm，底面安全閾值為19～23 mm，更精確得到了不同位置的安全閾值。大面1～3 號(hào)位置離正、負(fù)極位置近，較4～9號(hào)位置更易失效。側(cè)面及大面1～3 號(hào)位置較其他位置受擠壓時(shí)更容易發(fā)生失效。底面安全閾值遠(yuǎn)高于其他兩個(gè)面，相對(duì)更安全。

試驗(yàn)得到不同面及不同位置的安全閾值，為電池包仿真過(guò)程中擠壓、底部球擊、托底等工況提供了判定依據(jù)。本文得到的研究數(shù)據(jù)可為電動(dòng)汽車電池包的系統(tǒng)布置、安全防護(hù)等設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，同時(shí)為電池包中模組堆疊方式、安全防護(hù)設(shè)計(jì)等提供指導(dǎo)。