隨著電動汽車產業的快速發展, 鋰離子電池由於能量密度高, 無記憶效應和安全性高等優點被廣泛的用於動力電池領域. 由於電動汽車的特殊性, 因此對動力電池的安全性也提出更高的要求, 例如在電動汽車發生碰撞等安全事故時, 需要動力電池不起火, 不爆炸, 保證駕乘人員的安全性, 因此在動力電池安全試實驗中就包含了擠壓, 針刺等涉及到在極端濫用情況下鋰離子電池安全性能的測試, 能否通過這些嚴苛的安全試驗, 是評價一款鋰離子電池安全性的終極標準.
在擠壓試驗中, 鋰離子電池首先是外殼發生變形, 然後開始對電芯形成擠壓, 由於目前幹法拉伸工藝製備的隔膜在橫向和對角線方向上強度較低, 因此在電芯變形達到一定程度時, 隔膜的橫向會首先發生斷裂, 導致鋰離子電池的正負極直接接觸, 發生短路, 瞬間釋放出大量的熱量, 導致負極SEI膜, 正極活性物質和電解液發生分解反應, 導致鋰離子電池發生熱失控, 最終導致鋰離子電池起火和爆炸.
為了避免鋰離子電池在擠壓試驗中發生熱失控, 提高鋰離子電池的安全性, 就需要對鋰離子電池在擠壓試驗中發生熱失控的機理, 進行深入的研究, 從而對鋰離子電池進行針對性的安全設計, 從而提升鋰離子電池在擠壓試驗中的安全性. 下面我們就一起來看一下美國麻省理工學院的最新研究成果.
美國麻省理工學院的Juner Zhu等人利用18650電池研究了在發生軸向擠壓的過程中鋰離子電池的發生熱失控的機理, 並利用有限元分析模型進行了模擬分析, 該模型還原了不同的軸向壓力對鋰離子電池造成的影響, 分析結果得到了CT掃描的驗證, 該模擬分析結果發現了兩種可以解釋在擠壓試驗中導致鋰離子電池發生短路原因.
由於在動力電池組中18650電池一般是採用垂直裝配的, 在電池組發生跌落等情況下, 軸向擠壓是造成鋰離子電池變形的主要原因, 因此Juner Zhu主要研究了在軸向壓力下電池變形導致鋰離子電池短路的機理. 一些傳統的模型由於假設鋰離子電池內部是一個均一的整體, 因此在預測18650電池軸向壓縮試驗的時候就無法準確預測試驗結果, 這主要是由於鋰離子電池電芯的特殊結構, 導致在電芯的上部和下部並不完全一致, 同時由於鋰離子電池上蓋 (也就是正極) 獨特的結構使得鋰離子電池在承受軸向壓力的時候, 可能會在內短路發生之前, 就引起鋰離子電池發生短路.
18650電池主要由三部分組成: 安全閥, 卷芯和低碳鋼外殼. 安全閥通常由正溫度係數材料, 鋁安全閥和不鏽鋼正極端子, 氣體密封墊等組成, 電芯由正極, 負極和隔膜組成, 在本試驗中正極的活性物質的成分為LiCoO2. 軸向載荷的載入速度為5mm/ min, 所有的試驗電池在試驗之前都已經完全放電 (SOC= 0) . 測試結果顯示, 18650電池在軸向壓力測試中壓力呈現出緩慢上升——快速上升——輕微下降——快速上升的趨勢, 而電壓測試顯示, 18650電池在變形達到4mm的情況下才會發生失效, 而且通過試驗發現, 18650電池的電壓突降主要是由於電池內部短路造成的, 而不是內部結構的斷路. 為了研究18650在軸向壓力下失效的機理, Juner Zhu還利用有限元軟體對其進行了分析, 模型中的材料主要採用了彈塑性模型, 並且考慮了各種材料的各向異性的特點, 模型中包涵了上百萬的計算單元, 軸向載荷的載入速度被設置為1m/ s. 模擬結果再現了在軸向載荷的情況下, 18650電池變形的經過. 首先電池的上蓋區域的殼體開始發生塑性變形, 在變形程度超過1mm後, 變形的外殼開始擠壓電池卷芯的上部, 隨著變形程度的增加, 電芯開始出現變形, 從而在壓力曲線上出現了一個輕微的下降, 然後隨著電池殼體與電芯的接觸面積的增加, 使得壓力曲線呈現了一個快速上升的趨勢. CT掃描結果也很好的驗證了上述分析, 試驗電池的變形主要發生在上部結構中, 電池下改幾乎沒有發生變形.
對試驗後的18650電池進行拆解顯示, 雖然電芯發生了嚴重的變形, 但是正負極並沒有發生斷裂, 反而是隔膜在距離上部邊緣1.3mm的位置出現了一個裂縫, 這直接導致了電池發生短路, 電壓突降, 而這一裂縫可能是由於金屬箔鋒利的邊緣侵入造成的. 此外隔膜的在一些位置厚度出現了很大的下降, 這主要是由於凹陷的外殼擠壓電芯造成的.
從上述分析結果來看, 軸向壓力下導致18650電池短路的可能原因主要有以下幾點.
1.外殼通過破裂的隔膜與正負極接觸
2.正負極通過破裂的隔膜接觸
3.正負極通過隔膜變薄的區域接觸
4.安全閥被擠壓, 與電芯接觸
從測試結果來看, 當18650電池軸向變形達到4mm時就會引發內短路, 因此需要在電池組安全設計的時候特別考慮. 此外由於在軸向壓力時變形主要發生在18650電池的上部, 因此對18650電池上部的安全設計也要特別在意.
