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电池挤压安全性能的影响因素

  合肥国轩高科动力能源有限公司   2021-07-18 次浏览

在复杂多变的环境下,电池包容易受到碰撞、挤压和冲击等机械载荷作用力,导致电池发生形变,甚至发生内部短路,逐渐引发热失控等问题。分析动力电池挤压安全性能的响应特性,找到可能影响挤压安全测试的影响因素并进行优化,可在一定程度上改善动力电池的安全性设计,对于电动汽车的整车安全性能也有一定的实际工程意义。

本文作者暂未见到有关锂离子电池挤压安全失效分析的研究。国家标准GB/T31485-2015《电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法》明确提出了动力电池安全性能的要求和测试标准,因此,本文作者分析额定容量为12Ah的32131型锂离子电池在不同挤压形变量下的电芯状态和失效模式,探讨提高电池挤压安全性能的研究方向。

1实验

1.1材料的工艺调整及力学性能的改进

使用改进后的铝箔、铜箔和基膜,进行正极片、负极片和涂覆隔膜的制备。

在铝箔生产工艺中,控制熔炼过程中A1235铝硅合金(河南产)铜的质量分数由0.002%提高至0.003%,将热轧坯料后的中间退火温度由340℃提高至400℃,可适当提高铝箔的拉伸强度和延伸率。目前生产使用的铜箔是电解铜箔,在生产过程中,将含有聚二硫二丙烷磺酸钠(江苏产,98%)、明胶(青海产,90%)、羟乙基纤维素(上海产,99%)和聚乙二醇(江苏产,98%)的质量比为0.1∶1.0∶1.0∶1.0的添加剂,流量由150ml/min降低至140ml/min左右,0.025‰盐酸(上海产)添加量由130ml/min提高至140ml/min左右,时效处理温度由65℃提升到75℃左右,可适当提高拉伸强度和延伸率。将基膜生产用原料的相对分子质量由6×105提高至10×105,将生产工序中纵向(MD)和横向(TD)拉伸倍率由6倍提高至7倍,可以提高隔膜的拉伸强度和延伸率。

1.2材料的力学性能

为研究正、负极片和不同方向的隔膜在电池受力状态下的差异,用3343万能材料试验机(美国产)分别对实验电池使用的正、负极片,MD拉伸隔膜[上海产,9μm聚乙烯(PE)基膜+3μm氧化铝涂层陶瓷]和TD拉伸隔膜(上海产,9μmPE基膜+3μm氧化铝涂层陶瓷)进行拉力测试。测试速度为100mm/min,样品宽度为(15.0±0.1)mm,夹具间初始距离为(100±5)mm,记录改进前后样品在受力断裂状态下的拉伸强度和延伸率

1.3电池的拆解与制备

实验使用额定容量为12Ah的32131型锂离子电池,正极活性物质为磷酸铁锂,负极活性物质为人造石墨材料,以本公司正常生产原料为基本实验材料,按本公司正常生产工艺进行材料改进前后实验电池的制作。

为便于观察挤压后电池的内部信息,拆解分析使用的是空电状态下挤压测试的改进前电池;对比材料改进前后挤压安全性能的差异性,是在满电状态下进行电池挤压测试。

1.4挤压测试

挤压测试在GX-5067A卧式电池挤压实验机(东莞产)上进行。将单只实验电池固定在实验机上,使电池的极板方向垂直于挤压方向,挤压板为半径75mm的半圆柱体,半圆柱体长度大于被挤压电池尺寸,挤压方式见图1。

电池挤压安全性能的影响因素

用挤压板以设定的恒定速度挤压待测电池,当电池的形变量达到设定值后停止挤压,挤压形变量Q如式(1)所示。

Q=D0/D1(1)

式(1)中:D0为电池挤压测试过程中的形变距离;D1为电池挤压测试前挤压方向原始距离。

可根据不同挤压形变量,估算电池的形变延伸率R。

R=(L1-L0)/L0(2)

式(2)中:L0为挤压测试后电池发生形变的弦长;L1为挤压测试后电池发生形变的弧长。

使用改进前电池材料制作的实验电池,采用空电态进行挤压测试,便于进行挤压测试后的拆解分析。改进前实验电池挤压测试方案见表1。

电池挤压安全性能的影响因素

使用改进前、后的电池材料制备实验电池,进行满电状态30%挤压形变量测试,挤压速度为5mm/s,各测试5只。改进材料前的电池编号为1-1至1-5,改进材料后的电池编号为2-1至2-5。测试时,将温度传感器PT100热电偶(东莞产)固定在电池正极处,记录正极的温度变化。并用HK3561电阻仪(东莞产)监测电池挤压测试前后的电阻和电压。

2结果与讨论

2.1改进前后极片和隔膜性能

电池材料的力学性能见表2。

电池挤压安全性能的影响因素

从表2可知,拉伸强度由小到大分别为:正极片、负极片、TD隔膜和MD隔膜;延伸率由小到大分别为:正极片、负极片、MD隔膜和TD隔膜。正、负极片与隔膜的差异较大,可以推断:电芯在受挤压力发生较大形变时,正极片可能会因较低的强度和断裂延伸率首先产生断裂失效;随着挤压形变力的增加,负极片也会失效;MD和TD隔膜都具有相对较高的拉伸强度和延伸率,失效时间会晚于极片。圆柱形电池中,隔膜在MD方向有一定的张力,受到的挤压综合作用力会大于TD方向,可以推测电池在受到挤压外力时,材料失效撕裂可能的顺序为:正极片、负极片、MD隔膜和TD隔膜。从表2可知,改进后的正极片、负极片、MD隔膜和TD隔膜,拉伸强度和延伸率均提高了5.0%以上。

电池挤压安全性能的影响因素
电池挤压安全性能的影响因素

2.2改进前电池挤压测试

按照挤压方案进行拆解改进前空电态实验电池,对比分析电池中正、负极片和隔膜的状态。电池拆解后的状态见图2,分析结果见表3。

从图2和表3可知,挤压速度为2mm/s和5mm/s的电池,正、负极片和隔膜的状态差异不大,说明挤压速度在一定变量范围内对电池挤压测试结果的影响不大。电池在挤压形变量≤10%时,正、负极片和隔膜状态相差不大,在挤压形变量逐渐增大的过程中,正、负极片和隔膜都发生了较大的形变。当挤压形变量为20%左右时,正、负极片有轻微撕裂,但正极片较负极片现象较为明显,隔膜有明显压痕但无撕裂,但达到30%挤压形变量时,三者都发生了较大程度的撕裂。在电池挤压形变量逐渐增大的过程中,正、负极片形变撕裂的时间早于隔膜。根据以上信息分析,在电池挤压失效的过程中,失效的先后顺序可能是:正极片、负极片和隔膜。

2.3改进前、后电池挤压测试

使用改进拉伸强度和断裂延伸率前、后的实验电池,在满电状态下进行30%形变量挤压测试,结果见表4,电池在挤压测试过程中的温度曲线见图3。

电池挤压安全性能的影响因素
电池挤压安全性能的影响因素

从表4可知,改进前的5只电池,挤压测试时有2只发生起火、爆炸;而改进后的5只电池,挤压测试时均未起火、未爆炸。电池起火、爆炸的原因可能是:挤压测试时,在外力作用下,内部隔膜会受到已被电解液充分浸润的正、负极片较大的挤压作用力,产生热量;随着挤压形变量的增加,电池内部的放热量会叠加,产生温升,温度超过隔膜安全使用温度后,隔膜会发生热收缩,造成电池内部大面积短路,从而引发热失控,甚至引发爆炸。改进后的电池,挤压安全性能明显优于改进前,说明提高正、负极片和隔膜的拉伸强度、延伸率,可改善电池的挤压性能。

从图3可知,改进前电池的温升大于改进后电池,可能是因为在相同挤压形变作用力下,使用改进材料的电池受力形变所产生的热量叠加较少,内部温升稍低。电池在30%挤压形变作用力下,按形变延伸率R估算可知,挤压受力形变延伸率在4.0%左右。

改进前电池中正极片的延伸率为1.8%时,超过形变极限,电池材料的一致性差异,致使受到极限挤压作用力时,部分正极片出现撕裂,2只电池发生了热失控爆炸的情况。改进后的电池中,正极片的延伸率均值在4.1%左右,接近延伸率估算值,挤压测试时内部温升较小,均低于80℃,电池的安全性能得到改善。

3结论

工艺改进可调整铝箔、铜箔和基膜的拉伸强度和延伸率。本文作者采用相同电池制造工艺,使用改进前后的材料制作实验电池,研究了改进前电池空电态下挤压内部材料状态,以及改进前后电池挤压安全性能的差异。

分析了不同挤压形变量下改进前电池挤压的内部材料状态,推测电池在受到挤压外力时材料失效撕裂的顺序为:正极片、负极片、MD隔膜和TD隔膜,提出了改善电池挤压安全性能的方向。通过工艺改进,将正极片、负极片和涂覆隔膜拉伸强度和延伸率提高了5%以上。

使用改进后材料的实验电池,30%挤压形变量测试下的内部放热量叠加较少,降低了电池的内部温度,温升均低于80℃,减少了因温升较高引发隔膜热收缩形变,进而引发正、负极片接触导致电池内部热失控的风险,改善了电池的挤压安全性能。

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