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【中認(rèn)聯(lián)科】鋰離子電池安規(guī)圣經(jīng)——3

作者:中認(rèn)聯(lián)科 發(fā)布時間:2020-06-20 閱讀:2737

6、外短路

測試條件

將正負(fù)極極耳直接用導(dǎo)體連接

失效原理

由于外接導(dǎo)體電阻很低,電芯會以非常大的倍率進(jìn)行放電,內(nèi)部溫度隨放電過程持續(xù)升高,同時可能伴有隔膜熔化和過放析銅,最終引發(fā)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(fù)極活性物質(zhì)等幾種。由于短路電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于過充電流,因而短路產(chǎn)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(dāng)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(zhuǎn)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(dān)熱量有限,因此最高溫差異不大。

同理,如果電芯自身內(nèi)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(fēng)險并不太高,一個原因在于電芯內(nèi)部發(fā)生的是近乎均勻的產(chǎn)熱,而非像針刺一樣的局部產(chǎn)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(jìn)一步引發(fā)其它副反應(yīng),因此刻意考慮在電芯內(nèi)部增加一些優(yōu)良的導(dǎo)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(yīng)的改善

電芯進(jìn)行外短路時,高溫可能引發(fā)的副反應(yīng)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(jié)果,主要是正負(fù)極敷料直接接觸,產(chǎn)熱量并不太高,失效可能性不大。

極耳的熔斷:當(dāng)極耳的材質(zhì)為導(dǎo)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(chǎn)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(chǎn)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(fā)析銅風(fēng)險。但由于外短路析銅量不大、發(fā)生析銅的風(fēng)險也并不高,因此不需要刻意改善。

外短路總結(jié)

失效原理:外短路造成整體溫升,內(nèi)部發(fā)生隔膜熔化或極耳熔斷進(jìn)一步提高了風(fēng)險

關(guān)鍵改善點:隔膜材質(zhì),極耳材質(zhì)

可能改善點:極耳外接PTC

頭腦風(fēng)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(guī)的總結(jié)

誰是最難通過的安規(guī)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(fù)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(dāng)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(chǎn)生顯著影響;

熱沖擊:更換隔膜材質(zhì)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(fēng)險度低的正負(fù)極間、銅鋁箔間內(nèi)短路,失效概率較低;

外短路:可以當(dāng)做大號的熱沖擊,電芯溫度與熱沖擊基本一樣,但是極耳產(chǎn)熱、內(nèi)部快速反應(yīng)提高了失效風(fēng)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(guī)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(guī)性能有最大影響的設(shè)計要素?

根據(jù)上面的難易度排列,我們將六項安規(guī)測試的難度從51進(jìn)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(jù)文武所列的安規(guī)改善方案,我們將所有的設(shè)計要素分為正極、負(fù)極、隔膜、電解液、鋁箔、極耳、電芯結(jié)構(gòu)、電芯形狀、熱敏材料、特殊外殼十大類,設(shè)計要素與安規(guī)測試之間的關(guān)系以代表關(guān)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(yōu)先矩陣圖的原則,將關(guān)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(yīng)的安規(guī)測試難度相乘,計算出每一個設(shè)計要素的總得分:

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

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

image.png

由于正極和隔膜對全部安規(guī)測試都有著一般或關(guān)鍵影響,因此二者的評分最高;電芯結(jié)構(gòu)和電芯形狀都可以顯著改善針刺和重物沖擊這兩項嚴(yán)苛的外力類安規(guī),評分也較高;負(fù)極、電解液在現(xiàn)有體系下,可優(yōu)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(xù)開發(fā)出量產(chǎn)使用的阻燃電解液,情況將會有所改變。

 

 


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