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【中认联科】锂离子电池安规圣经——3

作者:中认联科 发布时间:2020-06-20 阅读:133

6、外短路

测试条件

将正负极极耳直接用导体连接

失效原理

由于外接导体电阻很低,电芯会以非常大的倍率进行放电,内部温度随放电过程持续升高,同时可能伴有隔膜熔化和过放析铜,最终引发热失控。

用因果链图描述外短路的失效原理如下:

image.png

改善方案

针对短路放电的改善

如过充的改善所述,这里最常用的方法是切断短路回路,具体而言的手段包括极耳外接PTC、涂覆热敏材料的箔材或包覆热敏材料的正负极活性物质等几种。由于短路电流远远大于过充电流,因而短路产生的高温亦明显高于过充,因此使用热敏材料切断回路的改善方法,对短路而言更为有效。

如果不能切断短路回路,那适当减小短路电流也是个不错的方案。短路电流的决定性影响因素为外接电阻阻值的高低,越高则整体短路电流越小,短路期间温升越慢:

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虽然外接电阻阻值高时延缓了升温速度,但是电芯的最高温度下降的并不明显,主要原因在于短路时电芯电能基本全部转化为电芯热能并造成温升,这期间散热差异及外接电阻分担热量有限,因此最高温差异不大。

同理,如果电芯自身内阻比较大(例如卷绕相对于叠片),也可以减缓升温速度,理论上提高短路的安全性。不过在更好的倍率性能更慢的短路温升间取舍的话,大部分人都会选择前者。

针对整体温升的改善

外短路造成热失控的风险并不太高,一个原因在于电芯内部发生的是近乎均匀的产热,而非像针刺一样的局部产热,同时最高温度也只有100多些,因此单纯外短路造成的温升一般不足以直接造成热失控。

但由于温升可能进一步引发其它副反应,因此刻意考虑在电芯内部增加一些优良的导热体材料,如石墨烯、金属片、散热硅胶等,来加快电芯的整体散热。

针对电芯副反应的改善

电芯进行外短路时,高温可能引发的副反应如下:

隔膜的收缩:外短路造成的高温一般在130左右,足以造成PE隔膜的熔化,但是对PP隔膜影响不大。

image.png

与前面所讲的热冲击类似,外短路造成隔膜熔化的结果,主要是正负极敷料直接接触,产热量并不太高,失效可能性不大。

极耳的熔断:当极耳的材质为导电性不够好的铝、镍,且横截面积不够大时,外短路可能造成极耳产热过大熔断。其效果虽然与PTC的切断回路类似,但是由于可能产生明火,因此依旧需要改善。主要方法是采用铜基材+镀铝&镍极耳。

正极析铜:电芯长时间外短路后,电压会降至0V,从而引发析铜风险。但由于外短路析铜量不大、发生析铜的风险也并不高,因此不需要刻意改善。

外短路总结

失效原理:外短路造成整体温升,内部发生隔膜熔化或极耳熔断进一步提高了风险

关键改善点:隔膜材质,极耳材质

可能改善点:极耳外接PTC

头脑风暴改善点:提高电芯散热效率,热敏材料涂层箔材或主材

安规的总结

谁是最难通过的安规测试?

针刺:磷酸铁锂正极、套马甲可以极大的提高通过概率,薄且大的电芯尺寸也有助于提高通过概率,而在其它条件下,通过难度颇高;

过充电:磷酸铁锂正极、提高负极过量可以极大的提高通过概率,外接PTC、防过充电解液配合三元材料这两种方法,也有一定程度改善效果,其它方案改善有限;

重物冲击:可以当做小号的针刺,改善方案也与针刺类似,但失效概率更低,同时电芯宽度、刚度都有可能产生显著影响;

热冲击:更换隔膜材质可以极大程度提高通过概率,而即便使用PE基材隔膜也只会造成风险度低的正负极间、铜铝箔间内短路,失效概率较低;

外短路:可以当做大号的热冲击,电芯温度与热冲击基本一样,但是极耳产热、内部快速反应提高了失效风险;

过放电:写这个主要是为了讲一下析铜的事情。

综上所述,各项安规测试的难易度排名为:针刺过充电>重物冲击>外短路>热冲击>过放电

谁是对安规性能有最大影响的设计要素?

根据上面的难易度排列,我们将六项安规测试的难度从51进行排列,针刺、过充电为5分,重物冲击4分,外短路3分,热冲击2分,过放电1分。

根据文武所列的安规改善方案,我们将所有的设计要素分为正极、负极、隔膜、电解液、铝箔、极耳、电芯结构、电芯形状、热敏材料、特殊外壳十大类,设计要素与安规测试之间的关系以代表关键影响、以代表一般影响、以代表可能影响,列出下表:

image.png

接下来我们借用优先矩阵图的原则,将关键影响评为5分、一般影响评为3分、可能影响评为1分,并用每项的影响程度分别与对应的安规测试难度相乘,计算出每一个设计要素的总得分:

例如,正极这一设计要素对安规的影响总分=5(对针刺关键)5(针刺的难度)+5(对过充关键)5(过充的难度)+34+33+32+31=80分。

我们按以上算法将全部设计要素的安规影响度计算一遍,并将最终结果做成柱状图:

image.png

由于正极和隔膜对全部安规测试都有着一般或关键影响,因此二者的评分最高;电芯结构和电芯形状都可以显著改善针刺和重物冲击这两项严苛的外力类安规,评分也较高;负极、电解液在现有体系下,可优化空间不大,且一般情况下不是失效的短板,因此评分不高,若后续开发出量产使用的阻燃电解液,情况将会有所改变。

 

 


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