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锂离子动力电池安全性深度解析

更新:2024-05-11 10:00 发布者IP:175.5.24.20 浏览:0次
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产品详细介绍

前言

关于锂离子电池的安全与可靠性问题,一直以来都是新能源行业*为重视的课题。

可是笔者在与一些网友,甚至很多业内人士沟通锂离子电池安全性时,发现了一个常见的理解差异,一个很长时间都没人注意到的理解差异。

人们日常说的安全性,是电池在正常使用(包括正常范围内的滥用)的时候,会不会自发性的出现安全问题,比如自燃,突然爆炸,或者是突然掉电、漏电等使用异常。

而技术角度的安全性是指电池在滥用条件下,失效反应的剧烈程度。滥用条件是按照国标《GBT31485-2015电动汽车用动力蓄电池安全要求及实验方法》执行,有过放、过充、外短路、挤压、跌落等;失效反应包括漏夜、起火、爆炸三种。

这二者有一定得关联性,又不尽相同。普通媒体的从业人员,一般很难将二者的差异区分开来,从一些教科书或者学术报告中摘抄出来一些段落,胡乱拼凑后发布出来,对普通消费者甚至很多业内人士造成了严重的误导。

我们可以把“安全性”这个概念分为“可靠性”和“失效反应剧烈程度”两个定义。“可靠性”就是指正常使用的风险度;“失效反应剧烈程度”就是上述按照国标实验进行测试时的反应剧烈程度。本文首先会对锂离子动力电池的组成,和失效反应机理进行介绍,然后对上述两个概念作详细分析。

动力电池系统、电芯的组成

1.动力电池系统动力电池系统即我们常说的车用电池包,一般由电芯(或一小组单体电芯组成的模组),BMS(电源管理系统),结构件(箱体、导线、接插件等)和热管理系统组成。

电芯是指动力电池的单体,一般是3.2V或3.6V的单节锂离子电池,是发生漏夜、起火、爆炸等反应的元件。BMS是监控电芯温度、电压,并以此判断电芯状态,与整车控制器/充电桩信号交互,进一步控制充放电行为的元件。

热管理系统是对电池进行加热或降温,以保证电芯处于适宜温度的元件。结构件是上述元件的载体或接口,用于支撑、安装、防护内部元件,并提供充放电接口。

2.电芯

电芯就是单节的锂离子电池,由正极片、负极片、隔膜、电解液和结构件组成。


热失控的诱因

对于锂离子电池来说,失效反应的原因无外乎三个:内部短路、高温、过(电)压。这三个因素导致温度达到一定程度后,触发内部一系列的化学反应,进一步产生热量、气体,以致起火、爆炸。(*终都是归结到温度上,因此电芯的失效反应被称为“热失控”)

电芯短路的原因

防止电芯内部短路,是每个电池企业生产控制的重中之重。一般为金属异物和隔膜缺陷的控制。在电芯的生产过程中,有两个重要的测试/检验方法,可以有效的剔除一部分异常电芯,主要有:

1.Hi-pot测试,即高压短路测试,或绝缘电阻测试,两个测试都是发现金属异物和隔膜缺陷的重要手段,也是很有效的手段。其原理都是在200-500V的交流或直流高压下,使极片表面的金属异物或边缘的毛刺发生**放电,产生漏电流,甚至将隔膜击穿,以筛选出有缺陷的产品。

2.自放电测试,将电芯在高温或常温下放置3-7天,根据其压降判断内部是否有微短路电点。但是,上述测试只能评判电芯当时的状态。

而在实际使用过程中,电芯内部的状态是在持续发生变化的,这种变化主要在于:

1.振动导致原本未起作用的异物位置发生变化;

2.循环过程负极片膨胀和呼吸作用,导致内部压力增大、卷芯变形,使原本未发生作用的异物在外力下刺穿隔膜;(膨胀是指随着循环的进程,极片越来越厚,呼吸作用是指负极片在单次充放电过程中的厚度波动)

3.电芯加工异常、材料批次异常或设计缺陷,使循环过程中局部产生析锂,刺穿隔膜。(这种加工异常有很多点,从制浆到分容,很多工序都有可能导致出循环析锂)

总结

1.电芯的“失效反应剧烈程度”主要是和电芯的设计状态相关的,包括容量/能量密度,正极材料的选择,隔膜的选择等。(容量/能量密度决定单位体积所存储的能量,也就内短路瞬间释放的热量)

2.电池系统的“可靠性”,主要是和电芯/PACK加工过程中的金属异物控制水平,元器件的可靠性相关的。

3.不过二者也有一定的联系,主要在于以下几点:1)正极材料的选择,对“过充”反应的耐受程度不同;耐过充的正极材料,会对电池系统可靠性的要求低一些,也就是说用“实验反应剧烈程度”低的正极材料,会降低“可靠性”异常事故发生的概率;(**于发生起火、爆炸事故,过充对电芯寿命的损伤都是不可逆的)





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