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軟包鋰電池造成短路故障解析,如何改善軟包鋰電池短路設計
396 2023-04-17
    相對于其他圓柱形和方形電池,軟包裝鋰電池因尺寸設計靈活、能量密度高等優勢,使用越來越普遍。短路測試是評估軟包裝鋰電池的一種有效的方式。這篇文章通過分析電池短路測試的失效模型,尋找出影響短路失效的主要因素;通過開展不同條件的實例驗證,分析失效模型,給出了改善軟包裝鋰電池安全性的提議。
    軟包裝鋰電池的短路失效通常包括漏液、干裂、起火和爆炸等現象。漏液和干裂一般發生在極耳封裝薄弱區域,測試后可清晰地看到該處的鋁塑封裝干裂;起火和爆炸是危害性更大的安全生產事故,而起因通常是鋁塑干裂后,電解液在一定條件下發生劇烈反應。因而,相對于軟包裝鋰電池的短路測試,鋁塑材料的封裝狀況是導致失效的關鍵因素。
    在短路測試中,電池的開路電壓瞬間降為零,同時回路內通過大電流并產生焦耳熱。焦耳熱的大小關鍵在于電流、電阻和時間三個因素。雖然短路電流存在的時間很短,但是由于電流較大仍然可產生很大的熱量。該部分熱量在短路后的較短的時間內(通常為幾分鐘)慢慢釋放,導致電池溫度的升高。隨著時間的延長,焦耳熱主要散失到環境中,電池溫度也開始下降。因而推測,電池的短路失效一般發生在短路瞬間及其后較短的時間內。
    軟包裝鋰電池在短路測試時往往發生產氣鼓脹的現象,這應該是由以下原因導致。首先是電化學體系的不穩定性,即大電流通過電極與電解液界面時造成了電解液的氧化或還原分解,氣體產物充斥在鋁塑封裝內。該原因造成的產氣鼓脹在高溫條件下表現得比較明顯,因為電解液分解副反應在高溫下更容易出現。除此之外,電解液即使不發生分解副反應,也可能在焦耳熱的作用下發生部分氣化,特別是對蒸汽壓低的電解液成分。該原因造成的產氣鼓脹相對于溫度較為敏感,即電池溫度降至室溫時鼓脹基本消失不見。然而,不管是哪一種原因造成的產氣,短路時電池內部的氣壓升高均會加劇鋁塑封裝的干裂,增大失效的概率。
如何改善軟包鋰電池短路設計
    基于短路失效的過程與機理分析,軟包裝鋰電池的安全性可從有以下幾方面開展改善:優化電化學體系,降低正、負極耳電阻,提升鋁塑封裝強度。優化電化學體系可從正負極活性材料、電極配比和電解液等多個角度開展,從而提高電池對瞬時大電流和短時高熱量的承受能力。降低極耳電阻可以減少該處的焦耳熱產生及累積,大幅度降低對封裝薄弱區域的熱量沖擊。提升鋁塑封裝強度可以通過優化電池制造過程中的參數來實現,大幅度降低發生干裂、起火和爆炸等。


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