探討鋰離子電池?cái)D壓實(shí)驗(yàn)的影響因素

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探討鋰離子電池?cái)D壓實(shí)驗(yàn)的影響因素

隨著鋰離子電池在新能源汽車上的大規(guī)模應(yīng)用，人們開始對(duì)鋰離子電池的安全性給予了越來(lái)越多的關(guān)注，特別是特斯拉較近爆出的多起電動(dòng)汽車起火事件，更讓人們對(duì)于動(dòng)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(jìn)行一系列的安全測(cè)試，包括擠壓、針刺和短路等實(shí)驗(yàn)，其中擠壓實(shí)驗(yàn)主要是模擬電動(dòng)汽車在發(fā)生事故時(shí)動(dòng)力電池發(fā)生形變后的安全性，對(duì)于動(dòng)力電池的安全性具有重要的參考意義。影響擠壓實(shí)驗(yàn)的結(jié)果的因素很多，例如擠壓速度、擠壓的位置等都會(huì)影響后面的測(cè)試結(jié)果，近日美國(guó)麻省理工學(xué)院的BrandyDixon 等對(duì)擠壓實(shí)驗(yàn)影響測(cè)試結(jié)果的因素進(jìn)行了評(píng)估和測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明某些因素，例如是否有電解液，擠壓測(cè)試的速度等會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生顯著的影響，但是有些因素，例如擠壓測(cè)試選擇的位置，就對(duì)測(cè)試結(jié)果幾乎沒有影響。
實(shí)驗(yàn)中采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(tài)下進(jìn)行測(cè)試，一種是沒有電解液的干燥狀態(tài)，一種是有電解液，并放電到 0%SoC 的狀態(tài)。

1.電解液對(duì)于擠壓測(cè)試結(jié)果的影響
通常為了便于分析擠壓測(cè)試對(duì)鋰離子電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，我們會(huì)采用沒有注入電解液的干電池，或者將電解液蒸干后進(jìn)行擠壓測(cè)試，但是很少有研究分析電解液對(duì)于擠壓測(cè)試結(jié)果的影響。BrandyDixon 采用沒有電解液的干燥電池和放空電后的普通電池進(jìn)行了圓形平面擠壓測(cè)試和半球形擠壓測(cè)試，圓形平面擠壓測(cè)試表明沒有電解液的干電池在測(cè)試中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)更大的力反饋（如下圖藍(lán)色曲線所示），干燥電池在變形量達(dá)到4mm 時(shí)產(chǎn)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(cè)試中也發(fā)現(xiàn)了同樣的規(guī)律，干電池產(chǎn)生的較大作用力達(dá)到 7.7kN（變形量達(dá)到 4mm 后失效），而有電解液的普通電池較大作用力僅為 5.2kN（變形量為 3mm 后失效），這項(xiàng)測(cè)試表明電池中的電解液實(shí)際上會(huì)對(duì)鋰離子電池?cái)D壓測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生顯著的影響，聚合物隔膜在經(jīng)過(guò)電解液浸泡后會(huì)發(fā)生軟化，因此會(huì)比干燥狀態(tài)下更早的失效。從BrandyDixon 的測(cè)試結(jié)果來(lái)看采用干燥電池得到的擠壓測(cè)試結(jié)果會(huì)比電池的實(shí)際狀態(tài)更大一些，因此干燥電池的擠壓實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的結(jié)果并不能完全代表鋰離子電池的實(shí)際使用情況。

2.擠壓位置對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響
由于鋰離子電池在發(fā)生事故擠壓變形的過(guò)程可能在鋰離子電池不同的位置，而我們進(jìn)行擠壓測(cè)試時(shí)通常會(huì)選擇將電池的中央位置作為測(cè)試位置，那么擠壓測(cè)試結(jié)果能夠表征鋰離子電池在實(shí)際使用中的所有情況呢？對(duì)此，BrandyDixon 通過(guò)在干燥鋰離子電池的不同位置進(jìn)行擠壓測(cè)試，分析了擠壓的位置對(duì)于測(cè)試結(jié)果的影響。BrandyDixon 選擇了四個(gè)位置進(jìn)行測(cè)試，其中第一個(gè)位置為電池的中央，距離鋰離子電池長(zhǎng)邊約65mm，第二個(gè)位置距離長(zhǎng)邊約 30mm，第三個(gè)位置距離鋰離子電池的長(zhǎng)邊約 10mm，第四個(gè)和第五個(gè)點(diǎn)都位于鋰離子電池的邊緣位置，其中第五個(gè)點(diǎn)的中心位置位于鋰離子電池的邊緣上。下圖 a 為測(cè)試結(jié)果，從結(jié)果來(lái)看除非擠壓位置位于鋰離子電池的邊緣上，否則擠壓測(cè)試的位置對(duì)測(cè)試結(jié)果基本上沒有影響，也就是我們?cè)跀D壓測(cè)試的時(shí)候可以選擇除了邊緣的任何位置。

3.擠壓速度對(duì)于測(cè)試結(jié)果的影響
在鋰離子電池的實(shí)際使用中往往會(huì)面臨不同的擠壓速率的考驗(yàn)，那么擠壓速度是否會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生顯著的影響呢？為此BrandyDixon 采用 0.2mm/min 到 20mm/min 的速度進(jìn)行了擠壓測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下圖 c 所示，從圖中能夠看到擠壓速度會(huì)對(duì)擠壓測(cè)試的較大作用力產(chǎn)生明顯的影響，例如在20mm/min 的速度下，較大作用力為 8.4kN，而在0.2mm/mm 的速度下較大作用力僅為 7.3kN，但是如果擠壓速度在一個(gè)數(shù)量級(jí)上，例如 10mm/min 和 20mm/min，1mm/min 和 2mm/min 就會(huì)得到相同的測(cè)試結(jié)果。

4.擠壓測(cè)試的重復(fù)性
擠壓測(cè)試作為一種破壞性的試驗(yàn)，只能通過(guò)抽樣的方式來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)，因此測(cè)試電池得到的試驗(yàn)結(jié)果是否具有可重復(fù)性，能夠多大程度上代表其他同批次電池就成為一個(gè)重要的問(wèn)題。為了驗(yàn)證擠壓測(cè)試的試驗(yàn)結(jié)果是否具有可重復(fù)性，BrandyDixon采用直徑分別為 12.6mm、28mm 和 44mm 的半球形擠壓頭對(duì)鋰離子電池進(jìn)行了擠壓測(cè)試，結(jié)果如下圖 c 所示。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，不同直徑的擠壓測(cè)試頭在多次擠壓測(cè)試中得到的曲線高度重合，僅僅是在較大作用力上有輕微的差別，這表明擠壓測(cè)試的重復(fù)性非常好，能夠僅僅通過(guò)測(cè)量少量的鋰離子電池表征同批次電池的安全性。
擠壓測(cè)試是動(dòng)力電池非常重要的安全測(cè)試，BrandyDixon 的研究為我們指明了哪些因素會(huì)對(duì)擠壓測(cè)試的結(jié)果產(chǎn)生顯著的影響，需要我們進(jìn)行嚴(yán)格的控制，而那些因素對(duì)于后面測(cè)試結(jié)果的影響不大，可以適當(dāng)?shù)姆艑捪拗啤Ｍ瑫r(shí) BrandyDixon 的研究也表明了擠壓測(cè)試具有非常好的可重復(fù)性，因此我們能夠通過(guò)對(duì)少量電池進(jìn)行擠壓測(cè)試，而表征同批次的電池的安全性。

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| 發(fā)布時(shí)間：2018.07.20 來(lái)源：電源適配器廠家

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