随着锂离子电池在新能源汽车上的大规模应用, 人们开始对锂离子电池的安全性给予了越来越多的关注, 特别是特斯拉最近爆出的多起电动汽车起火事件, 更让人们对于动力电池的安全性多了一份忧虑. 为了保证锂离子电池的安全性, 出厂前都要进行一系列的安全测试, 包括挤压, 针刺和短路等实验, 其中挤压实验主要是模拟电动汽车在发生事故时动力电池发生形变后的安全性, 对于动力电池的安全性具有重要的参考意义. 影响挤压实验的结果的因素很多, 例如挤压速度, 挤压的位置等都会影响最终的测试结果, 近日美国麻省理工学院的Brandy Dixon等对挤压实验影响测试结果的因素进行了评估和测试, 测试结果表明某些因素, 例如是否有电解液, 挤压测试的速度等会对测试结果产生显著的影响, 但是有些因素, 例如挤压测试选择的位置, 就对测试结果几乎没有影响.
实验中采用了软包锂离子电池, 容量为52Ah, 正极材料为NCA体系, 电池在两种状态下进行测试, 一种是没有电解液的干燥状态, 一种是有电解液, 并放电到0%SoC的状态.
1.电解液对于挤压测试结果的影响
通常为了便于分析挤压测试对锂离子电池内部结构的影响, 我们会采用没有注入电解液的干电池, 或者将电解液蒸干后进行挤压测试, 但是很少有研究分析电解液对于挤压测试结果的影响. Brandy Dixon采用没有电解液的干燥电池和放空电后的普通电池进行了圆形平面挤压测试和半球形挤压测试, 圆形平面挤压测试表明没有电解液的干电池在测试中会产生一个更大的力反馈 (如下图蓝色曲线所示) , 干燥电池在变形量达到4mm时产生的力反馈为167kN, 而有电解液的普通电池仅为150kN.
在半球形挤压测试中也发现了同样的规律, 干电池产生的最大作用力达到7.7kN (变形量达到4mm后失效) , 而有电解液的普通电池最大作用力仅为5.2kN (变形量为3mm后失效) , 这项测试表明电池中的电解液实际上会对锂离子电池挤压测试结果产生显著的影响, 聚合物隔膜在经过电解液浸泡后会发生软化, 因此会比干燥状态下更早的失效. 从Brandy Dixon的测试结果来看采用干燥电池得到的挤压测试结果会比电池的实际状态更大一些, 因此干燥电池的挤压实验测试得到的结果并不能完全代表锂离子电池的实际使用情况.
2.挤压位置对测试结果的影响
由于锂离子电池在发生事故挤压变形的过程可能在锂离子电池不同的位置, 而我们进行挤压测试时通常会选择将电池的中央位置作为测试位置, 那么挤压测试结果能够表征锂离子电池在实际使用中的所有情况呢? 对此, Brandy Dixon通过在干燥锂离子电池的不同位置进行挤压测试, 分析了挤压的位置对于测试结果的影响. Brandy Dixon选择了四个位置进行测试, 其中第一个位置为电池的中央, 距离锂离子电池长边约65mm, 第二个位置距离长边约30mm, 第三个位置距离锂离子电池的长边约10mm, 第四个和第五个点都位于锂离子电池的边缘位置, 其中第五个点的中心位置位于锂离子电池的边缘上. 下图a为测试结果, 从结果来看除非挤压位置位于锂离子电池的边缘上, 否则挤压测试的位置对测试结果基本上没有影响, 也就是我们在挤压测试的时候可以选择除了边缘的任何位置.
3.挤压速度对于测试结果的影响
在锂离子电池的实际使用中往往会面临不同的挤压速率的考验, 那么挤压速度是否会对测试结果产生显著的影响呢? 为此Brandy Dixon采用0.2mm/min到20mm/min的速度进行了挤压测试, 测试结果如下图c所示, 从图中能够看到挤压速度会对挤压测试的最大作用力产生明显的影响, 例如在20mm/min的速度下, 最大作用力为8.4kN, 而在0.2mm/mm的速度下最大作用力仅为7.3kN, 但是如果挤压速度在一个数量级上, 例如10mm/min和20mm/min, 1mm/min和2mm/min就会得到相同的测试结果.
4.挤压测试的重复性
挤压测试作为一种破坏性的试验, 只能通过抽样的方式来进行试验, 因此测试电池得到的试验结果是否具有可重复性, 能够多大程度上代表其他同批次电池就成为一个重要的问题. 为了验证挤压测试的试验结果是否具有可重复性, Brandy Dixon采用直径分别为12.6mm, 28mm和44mm的半球形挤压头对锂离子电池进行了挤压测试, 结果如下图c所示. 从测试结果来看, 不同直径的挤压测试头在多次挤压测试中得到的曲线高度重合, 仅仅是在最大作用力上有轻微的差别, 这表明挤压测试的重复性非常好, 能够仅仅通过测量少量的锂离子电池表征同批次电池的安全性.
挤压测试是动力电池非常重要的安全测试, Brandy Dixon的研究为我们指明了哪些因素会对挤压测试的结果产生显著的影响, 需要我们进行严格的控制, 而那些因素对于最终测试结果的影响不大, 可以适当的放宽限制. 同时Brandy Dixon的研究也表明了挤压测试具有非常好的可重复性, 因此我们能够通过对少量电池进行挤压测试, 而表征同批次的电池的安全性.
