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      【中認聯科】鋰離子電池安規圣經——3

      作者:中認聯科 發布時間:2020-06-20 閱讀:364

      6、外短路

      測試條件

      將正負極極耳直接用導體連接

      失效原理

      由于外接導體電阻很低,電芯會以非常大的倍率進行放電,內部溫度隨放電過程持續升高,同時可能伴有隔膜熔化和過放析銅,最終引發熱失控。

      用因果鏈圖描述外短路的失效原理如下:

      image.png

      改善方案

      針對短路放電的改善

      如過充的改善所述,這里最常用的方法是切斷短路回路,具體而言的手段包括極耳外接PTC、涂覆熱敏材料的箔材或包覆熱敏材料的正負極活性物質等幾種。由于短路電流遠遠大于過充電流,因而短路產生的高溫亦明顯高于過充,因此使用熱敏材料切斷回路的改善方法,對短路而言更為有效。

      如果不能切斷短路回路,那適當減小短路電流也是個不錯的方案。短路電流的決定性影響因素為外接電阻阻值的高低,越高則整體短路電流越小,短路期間溫升越慢:

      image.png

      雖然外接電阻阻值高時延緩了升溫速度,但是電芯的最高溫度下降的并不明顯,主要原因在于短路時電芯電能基本全部轉化為電芯熱能并造成溫升,這期間散熱差異及外接電阻分擔熱量有限,因此最高溫差異不大。

      同理,如果電芯自身內阻比較大(例如卷繞相對于疊片),也可以減緩升溫速度,理論上提高短路的安全性。不過在更好的倍率性能更慢的短路溫升間取舍的話,大部分人都會選擇前者。

      針對整體溫升的改善

      外短路造成熱失控的風險并不太高,一個原因在于電芯內部發生的是近乎均勻的產熱,而非像針刺一樣的局部產熱,同時最高溫度也只有100多些,因此單純外短路造成的溫升一般不足以直接造成熱失控。

      但由于溫升可能進一步引發其它副反應,因此刻意考慮在電芯內部增加一些優良的導熱體材料,如石墨烯、金屬片、散熱硅膠等,來加快電芯的整體散熱。

      針對電芯副反應的改善

      電芯進行外短路時,高溫可能引發的副反應如下:

      隔膜的收縮:外短路造成的高溫一般在130左右,足以造成PE隔膜的熔化,但是對PP隔膜影響不大。

      image.png

      與前面所講的熱沖擊類似,外短路造成隔膜熔化的結果,主要是正負極敷料直接接觸,產熱量并不太高,失效可能性不大。

      極耳的熔斷:當極耳的材質為導電性不夠好的鋁、鎳,且橫截面積不夠大時,外短路可能造成極耳產熱過大熔斷。其效果雖然與PTC的切斷回路類似,但是由于可能產生明火,因此依舊需要改善。主要方法是采用銅基材+鍍鋁&鎳極耳。

      正極析銅:電芯長時間外短路后,電壓會降至0V,從而引發析銅風險。但由于外短路析銅量不大、發生析銅的風險也并不高,因此不需要刻意改善。

      外短路總結

      失效原理:外短路造成整體溫升,內部發生隔膜熔化或極耳熔斷進一步提高了風險

      關鍵改善點:隔膜材質,極耳材質

      可能改善點:極耳外接PTC

      頭腦風暴改善點:提高電芯散熱效率,熱敏材料涂層箔材或主材

      安規的總結

      誰是最難通過的安規測試?

      針刺:磷酸鐵鋰正極、套馬甲可以極大的提高通過概率,薄且大的電芯尺寸也有助于提高通過概率,而在其它條件下,通過難度頗高;

      過充電:磷酸鐵鋰正極、提高負極過量可以極大的提高通過概率,外接PTC、防過充電解液配合三元材料這兩種方法,也有一定程度改善效果,其它方案改善有限;

      重物沖擊:可以當做小號的針刺,改善方案也與針刺類似,但失效概率更低,同時電芯寬度、剛度都有可能產生顯著影響;

      熱沖擊:更換隔膜材質可以極大程度提高通過概率,而即便使用PE基材隔膜也只會造成風險度低的正負極間、銅鋁箔間內短路,失效概率較低;

      外短路:可以當做大號的熱沖擊,電芯溫度與熱沖擊基本一樣,但是極耳產熱、內部快速反應提高了失效風險;

      過放電:寫這個主要是為了講一下析銅的事情。

      綜上所述,各項安規測試的難易度排名為:針刺過充電>重物沖擊>外短路>熱沖擊>過放電

      誰是對安規性能有最大影響的設計要素?

      根據上面的難易度排列,我們將六項安規測試的難度從51進行排列,針刺、過充電為5分,重物沖擊4分,外短路3分,熱沖擊2分,過放電1分。

      根據文武所列的安規改善方案,我們將所有的設計要素分為正極、負極、隔膜、電解液、鋁箔、極耳、電芯結構、電芯形狀、熱敏材料、特殊外殼十大類,設計要素與安規測試之間的關系以代表關鍵影響、以代表一般影響、以代表可能影響,列出下表:

      image.png

      接下來我們借用優先矩陣圖的原則,將關鍵影響評為5分、一般影響評為3分、可能影響評為1分,并用每項的影響程度分別與對應的安規測試難度相乘,計算出每一個設計要素的總得分:

      例如,正極這一設計要素對安規的影響總分=5(對針刺關鍵)5(針刺的難度)+5(對過充關鍵)5(過充的難度)+34+33+32+31=80分。

      我們按以上算法將全部設計要素的安規影響度計算一遍,并將最終結果做成柱狀圖:

      image.png

      由于正極和隔膜對全部安規測試都有著一般或關鍵影響,因此二者的評分最高;電芯結構和電芯形狀都可以顯著改善針刺和重物沖擊這兩項嚴苛的外力類安規,評分也較高;負極、電解液在現有體系下,可優化空間不大,且一般情況下不是失效的短板,因此評分不高,若后續開發出量產使用的阻燃電解液,情況將會有所改變。

       

       


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