隨著鋰離子電池在新能源汽車上的大規模應用, 人們開始對鋰離子電池的安全性給予了越來越多的關注, 特別是特斯拉最近爆出的多起電動汽車起火事件, 更讓人們對於動力電池的安全性多了一份憂慮. 為了保證鋰離子電池的安全性, 出廠前都要進行一系列的安全測試, 包括擠壓, 針刺和短路等實驗, 其中擠壓實驗主要是類比電動汽車在發生事故時動力電池發生形變後的安全性, 對於動力電池的安全性具有重要的參考意義. 影響擠壓實驗的結果的因素很多, 例如擠壓速度, 擠壓的位置等都會影響最終的測試結果, 近日美國麻省理工學院的Brandy Dixon等對擠壓實驗影響測試結果的因素進行了評估和測試, 測試結果表明某些因素, 例如是否有電解液, 擠壓測試的速度等會對測試結果產生顯著的影響, 但是有些因素, 例如擠壓測試選擇的位置, 就對測試結果幾乎沒有影響.
實驗中採用了軟包鋰離子電池, 容量為52Ah, 正極材料為NCA體系, 電池在兩種狀態下進行測試, 一種是沒有電解液的乾燥狀態, 一種是有電解液, 並放電到0%SoC的狀態.
1.電解液對於擠壓測試結果的影響
通常為了便於分析擠壓測試對鋰離子電池內部結構的影響, 我們會採用沒有注入電解液的乾電池, 或者將電解液蒸幹後進行擠壓測試, 但是很少有研究分析電解液對於擠壓測試結果的影響. Brandy Dixon採用沒有電解液的乾燥電池和放空電後的普通電池進行了圓形平面擠壓測試和半球形擠壓測試, 圓形平面擠壓測試表明沒有電解液的乾電池在測試中會產生一個更大的力反饋 (如下圖藍色曲線所示) , 乾燥電池在變形量達到4mm時產生的力反饋為167kN, 而有電解液的普通電池僅為150kN.
在半球形擠壓測試中也發現了同樣的規律, 乾電池產生的最大作用力達到7.7kN (變形量達到4mm後失效) , 而有電解液的普通電池最大作用力僅為5.2kN (變形量為3mm後失效) , 這項測試表明電池中的電解液實際上會對鋰離子電池擠壓測試結果產生顯著的影響, 聚合物隔膜在經過電解液浸泡後會發生軟化, 因此會比乾燥狀態下更早的失效. 從Brandy Dixon的測試結果來看採用乾燥電池得到的擠壓測試結果會比電池的實際狀態更大一些, 因此乾燥電池的擠壓實驗測試得到的結果並不能完全代表鋰離子電池的實際使用情況.
2.擠壓位置對測試結果的影響
由於鋰離子電池在發生事故擠壓變形的過程可能在鋰離子電池不同的位置, 而我們進行擠壓測試時通常會選擇將電池的中央位置作為測試位置, 那麼擠壓測試結果能夠表徵鋰離子電池在實際使用中的所有情況呢? 對此, Brandy Dixon通過在乾燥鋰離子電池的不同位置進行擠壓測試, 分析了擠壓的位置對於測試結果的影響. Brandy Dixon選擇了四個位置進行測試, 其中第一個位置為電池的中央, 距離鋰離子電池長邊約65mm, 第二個位置距離長邊約30mm, 第三個位置距離鋰離子電池的長邊約10mm, 第四個和第五個點都位於鋰離子電池的邊緣位置, 其中第五個點的中心位置位於鋰離子電池的邊緣上. 下圖a為測試結果, 從結果來看除非擠壓位置位於鋰離子電池的邊緣上, 否則擠壓測試的位置對測試結果基本上沒有影響, 也就是我們在擠壓測試的時候可以選擇除了邊緣的任何位置.
3.擠壓速度對於測試結果的影響
在鋰離子電池的實際使用中往往會面臨不同的擠壓速率的考驗, 那麼擠壓速度是否會對測試結果產生顯著的影響呢? 為此Brandy Dixon採用0.2mm/min到20mm/min的速度進行了擠壓測試, 測試結果如下圖c所示, 從圖中能夠看到擠壓速度會對擠壓測試的最大作用力產生明顯的影響, 例如在20mm/min的速度下, 最大作用力為8.4kN, 而在0.2mm/mm的速度下最大作用力僅為7.3kN, 但是如果擠壓速度在一個數量級上, 例如10mm/min和20mm/min, 1mm/min和2mm/min就會得到相同的測試結果.
4.擠壓測試的重複性
擠壓測試作為一種破壞性的試驗, 只能通過抽樣的方式來進行試驗, 因此測試電池得到的試驗結果是否具有可重複性, 能夠多大程度上代表其他同批次電池就成為一個重要的問題. 為了驗證擠壓測試的試驗結果是否具有可重複性, Brandy Dixon採用直徑分別為12.6mm, 28mm和44mm的半球形擠壓頭對鋰離子電池進行了擠壓測試, 結果如下圖c所示. 從測試結果來看, 不同直徑的擠壓測試頭在多次擠壓測試中得到的曲線高度重合, 僅僅是在最大作用力上有輕微的差別, 這表明擠壓測試的重複性非常好, 能夠僅僅通過測量少量的鋰離子電池表徵同批次電池的安全性.
擠壓測試是動力電池非常重要的安全測試, Brandy Dixon的研究為我們指明了哪些因素會對擠壓測試的結果產生顯著的影響, 需要我們進行嚴格的控制, 而那些因素對於最終測試結果的影響不大, 可以適當的放寬限制. 同時Brandy Dixon的研究也表明了擠壓測試具有非常好的可重複性, 因此我們能夠通過對少量電池進行擠壓測試, 而表徵同批次的電池的安全性.
