锂离子电池的安全性是我们需要优先考虑的问题, 特别是在乘用车等关系到我们生命财产安全的领域, 安全更是重中之重. 为了确保锂离子电池的安全性, 人们设计了多种安全性测试保证锂离子电池在滥用的情况下的安全性, 因此如何通过电池结构设计确保锂离子电池能够通过安全性测试, 从而保证在使用中的安全性, 就是需要我们考虑的问题.
针对锂离子电池在实际使用中可能遇到安全风险, 我们设计了挤压, 针刺, 短路, 过充和过放, 高低温等安全性测试. 在众多的安全性测试中, 模拟锂离子电池发生内短路和外短路的挤压, 针刺和外短路测试是最为常规, 也是最难通过的安全性测试. 究其原因, 主要还是因为这两种安全性测试中瞬时电流过大, 由于欧姆阻抗等因素使得锂离子电池内部段时间内产生大量的热量, 受到锂离子电池结构的限制, 这些热量无法快速扩散到电池外部, 导致锂离子电池温度过高, 从而引发活性物质和电解液的分解燃烧, 导致热失控.
以电动汽车上常见的方形电池为例, 由于结构设计的原因, 在电池各个部分产生的热量扩散的速度是不一样的, 因此会在电池的平面方向和厚度方向上产生明显的温度梯度, 特别是在大电流时, 由于电池内部, 特别是电芯中间位置产生的热量无法很好的扩散出去, 因此电芯内部的温度会急剧的升高, 从而引发安全性问题.
在挤压测试中, 随着电池变形程度的增加, 正负极集流体会首先被撕裂, 并沿着45度失效线发生滑移, 活性物质也会进入到45度失效线内, 随着隔膜变形程度的不断增加, 隔膜最终达到失效点, 引起正负极短路的发生, 挤压造成的正负极短路主要是以点状短路为主, 因此会在短路点产生非常大的电流, 热量集中释放, 引起短路点的温度急剧上升, 因此很容易引发热失控.
针刺实验也是用于模拟锂离子电池内短路的一种方法, 其基本原理是利用一根金属针, 以一定的速度缓慢的插入到锂离子电池的内部, 从而引起锂离子电池内部短路, 此时整个锂离子电池的电量都在通过短路点进行释放, 相关研究显示在内短路发生时, 最多会有70%左右的能量在60s内通过短路点释放, 这部分热量最终都转换为热能, 由于生成的热量无法及时的扩散, 从而使的短路点瞬间的温度可达到1000 ℃以上, 从而引发热失控.
相比于上述的挤压和针刺实验, 外短路测试则显得先对比较温和. 外短路测试是将锂离子电池连接一个定值电阻上, 锂离子电池的电量通过电阻进行释放. 根据定值电阻的大小可以控制短路电流的大小, 从数十安到数百安, 甚至是数千安, 由于大电流会在锂离子电池内短时间内积累大量的热量, 可能会引发锂离子电池热失控.
能否通过短路测试主要受到短路电流大小的影响, 短路电流越大, 则锂离子电池热量产生的速度也就越快, 而锂离子电池热量扩散速度不会有太大的变化, 因此也就意味着在锂离子电池内部积累更多的热量, 温度上升更多, 可能导致隔膜收缩, 正负极短路等严重的问题, 继而引起锂离子电池热失控.
影响锂离子电池短路电流的因素主要是短路电阻的阻值, 其次还受到锂离子电池内阻和荷电状态等因素的影响, 荷兰的Akos Kriston等人通过对多种锂离子电池进行研究后发现, 在锂离子电池短路的过程中, 电流变化主要分为一下几个部分, 区域1电池的放电电流可达274C, 这一部分主要由锂离子电池的双电层和扩散层放电驱动, 在区域2中, 锂离子电池的放电倍率可达50-60C, 这一部分电流的主要限制因素为物质扩散, 由于热量的积累, 在此区域内可能发生电池的热失控. 在区域3中, 随着驱动力的下降, 电池的放电电流也在逐渐下降.
Akos Kriston的研究发现, 影响短路测试结果的主要因素是短路电阻阻值和锂离子电池的内阻的比例, 这甚至要比锂离子电池内阻和电池的荷电状态对实验结果的影响还要大. 可以看到, 短路电阻的阻值与锂离子电池越接近, 锂离子电池就越容易发生热失控, 只有当短路电阻的阻值是锂离子电池内阻的9-12倍以上时, 锂离子电池才能通过短路安全测试. 其实这也不难理解, 在短路放电的过程中, 热量主要由外电路的短路电阻和电池内阻产生, 根据焦耳热的公式P=I2R, 在电流相同的情况下, 发热功率与电阻程正比, 在电池能量一定的情况下, 阻值大的部分自然也就会产生更多的热量.
从上述分析中不难看出, 影响锂离子电池安全测试结果的因素从本质上来讲主要是产热速率和散热速率, 通过安全保护设计等手段, 降低安全测试过程中的产热速率, 或者在必要情况下, 切段电流, 阻止继续产热都能够有效的避免锂离子电池发生热失控. 其次是提高锂离子电池的散热速率, 通过锂离子电池结构设计, 提高散热速率, 可以有效的避免锂离子电池温度过高, 特别是在电池组级别上, 需要配备相应的散热手段, 在部分锂离子电池发生热失控时, 能够快速散热保证不引起连锁反应.
