金标;周明涛;刘方方;安治文
【摘 要】In order to evaluate safety problem during internal short circuit of lithium iron phosphate (LiFePO4) power Li-ion battery,temperature on the surface of battery with ceramic cap,open circuit voltage and inrush current were analyzed by the nail penetration test of single and parallel connection battery respectively.No matter what the connection and nailing position were,the monitored temperature on the surface of battery near positive pole ear was higher than one in other places during nail test,which could reach the maximum value of 442.5 ℃,increased rapidly in the early stage and then decreased gradually,the bigger electrolyte concentration caused the greater internal resistance.The smaller nailing contact resistance caused the higher temperature on the surface of battery,then instantaneous charged current of the nailed battery in parallel connection became lager,the maximum value of which could reach 256.0 A.The safety performance of the battery with ceramic cap was improved.%为评估磷酸铁锂(LiFePO4)动力握离子电
池内短路时的安全问题,采用陶瓷顶盖结构的单体电池与1+5只并联连接电池的穿刺实验,分析电池表面温度、开路电压及涌流变化情况.不论连接方式和穿刺位置如何,均是靠近正极极耳的监控点温度最高,最高可达442.5℃,且前期该处温度迅速上升,后期逐渐降低;电解液浓度越低,电池内阻越大;穿刺接触电阻越小,电池表面温度越高,并联连接的被刺电池瞬间反充电流较大,最大可达256.0 A;电池未出现着火现象,穿刺安全性能得到提高. 【期刊名称】《电池》
【年(卷),期】2017(047)001柚子去皮机
【总页数】4页(P23-26)
【关键词】dsp2812磷酸铁锂(LiFePO4);动力锂离子电池;穿刺;内短路;涌流绝缘升降平台
【作 者】金标;周明涛;刘方方;安治文
【作者单位】广东科技学院机电工程系,广东 东莞523083;芜湖佳景科技有限公司,安徽芜湖241002;广东科技学院机电工程系,广东 东莞523083;华南理工大学机械与汽车工程学院,广东 广州 510641;广东科技学院机电工程系,广东 东莞523083
铭板【正文语种】中 文
【中图分类】TM912.9
车用大容量动力锂离子电池在穿刺过程中会诱发热安全问题，原因是穿刺引起电池内部短路，穿刺处温度急剧上升，超过内部活性物质的反应温度时，活性物质的化学反应将释放大量的热量，最终导致电池着火、燃烧或爆炸。内短路是锂离子电池较易发生的安全问题，也是所有热安全问题中最棘手的。通过合适的预测性实验和检测手段来评价内短路安全性，是动力锂离子电池检测的一个重要方面。
H.Maleki等[1]利用穿刺、挤压实验研究锂离子电池内短路，发现电池底部边缘处发生内短路时，易引发热失控，容量高于260 mA、充电电压不低于4.2 V的电池，内短路时引发的热失控风险较高，但研究仅限于电芯而不是电池模组。刘云建等[2]针对锰酸锂动力锂离子电池进行穿钉实验，发现电池开路电压在10 s内下降到约1 V，1 min后降到0 V左右，但实验仅对电池中间位置进行穿刺，不能表明该单体电池具有良好的安全性。S.Santhanagopalan等[3]对LiCoO2/MCMB锂离子电池的温度进行模拟，发现当铝箔和石墨发生短路时，电池温度迅速升温至200 ℃以上，极易造成热失控，但缺乏实验验证。李
贺等[4]研究了方形钴酸锂电池内部短路失效的机理，发现正极Li0.5CoO2与电解液共存体系在170 ℃以上的高温下剧烈反应，是导致电池内部短路失效的关键原因，但研究仅局限于不破坏电池外壳情况下的挤压实验。王彩娟等[5]对满充状态下的18650型锂离子电池在不同位置情况下的重物撞击测试表明：撞击位置不同，危险性存在很大的差异，但测试方法和条件有待进一步完善。刘仕强等[6]研究针刺速率对磷酸铁锂(LiFePO4)动力锂离子电池安全性的影响，发现针刺速度对容量为6.5 Ah的圆柱形电池安全性影响较小，对22.0 Ah的软包装电池影响较大，实验未涉及方形硬壳电池。R.Guo等[7]研究了动力锂离子电池的过放电短路，发现在过放电放出12%的容量时，电池发生内短路，在过放电超出20%的容量时，发生严重的内短路，通过材料特性分析与电池拆解分析了内短路机理，但不能解释因外部机械压力或电池材料制造等因素造成的内短路。
刀模
上述研究仅针对单体锂离子电池的内短路，使用实验方法包括穿刺、挤压和重物撞击等，但未结合实际应用的车用锂离子电池模组。本文作者针对注塑型顶盖结构的锂离子电池的着火问题，综合陶瓷型顶盖结构的单体电池和并联连接的电池模组的穿刺实验，研究动力锂离子电池内短路安全问题，分析被穿刺电池表面的温度、电压和涌流的变化。
1.1 单体电池穿刺实验
实验样品为单体方形钢壳LiFePO4动力锂离子电池(东莞产，容量60 Ah，29 mm × 135 mm × 228 mm)，利用针刺实验方法[8]模拟电池内部短路。
用BTS-5V10MA-S4锂电池充放电测试仪(深圳产)以1.00 C恒流充电至3.8 V，转恒压充电至0.05 C； 静置1 h，然后测量电池的电压、内阻和质量； 用LR8400-21数据记录仪(日本产)采集电池正面(外表面积较大面)监控点的温度信号，同时采集正、负极柱之间的开路电压变化。穿刺实验时单体电池的监控点如图1所示。
图1中，1-6为温度监控点； 将电池置于空旷环境中，在25 ℃左右的环境温度下，将直径φ=3 mm的无锈蚀耐高温钢钉从垂直于电池极板的方向在电池中上部(监控点1附近靠近正极柱)贯穿电池(钢针须停留在电池中)，并保持1 h以上； 测量穿刺后的电池电压、内阻和质量，并观察穿刺处是否出现熔化、燃烧和爆炸现象。
1.2 1+5只并联连接的电池穿刺实验
将1只需穿刺电池通过连接条与另外5只正常电池并联，在需穿刺电池的外壳正面布置6个监控点，用于监测温度变化，在极柱布置探针以监测极柱间的电压变化。实验分两组电池
模组进行：第1组是在监控点3附近上部进行穿刺，第2组是在中上部进行穿刺。穿刺实验步骤同以上的单体电池。测量穿刺前后的电池电压、内阻和质量。图2为两组1+5只并联连接电池的穿刺实验位置分布。
2.1 单只电池穿刺试验的电压和温度分析
单只电池穿刺实验过程中电池表面监控温度和电池开路电压随时间的变化见图3。
从图3可知：穿刺前期电池开路电压出现下降，大约在0.7 min后，电压由穿刺前的3.7 V下降到了3.2 V，随后电压变化较平缓，维持在3.2 V左右。监控点1、3处，表面温度随着穿刺的进行而急剧上升，在大约4.6 min时，监控点1的温度达到最大值408.5 ℃。随着穿刺的深入，1-4监控点的表面温度逐渐降低，而5、6两个监控点的表面温度，随着穿刺的深入一直在上升。在穿刺过程中，电池出现冒白烟的现象，原因是当钢钉刺入电池内部时，导致正、负极发生短路，此时，瞬间形成大电流，使电池内部的温度急剧上升，进而引发一系列正、负极与电解液的反应，造成电解液的分解或挥发。在整个穿刺过程中，该电池没有发生起火、燃烧和爆炸的现象。实验结束时，电池外壳出现膨胀变形，监控点3附近即靠近正极一侧的侧边边缘附近，有被高温灼烧的痕迹。由于采用耐高温且绝缘的陶瓷材料，
正、负极柱与钢壳之间未出现短路现象。
测试结果说明：具有陶瓷顶盖结构的电池比注塑顶盖结构的电池具有更好的穿刺安全性能。
该电池穿刺前后开路电压、电池内阻及电池质量的变化情况列于表1。
从表1可知，开路电压和质量变化量约为14%，电池内阻出现较大变化。原因是穿刺后发生内短路，电解液的挥发或分解使得电解液质量减少，即浓度变小，导致导电能力出现下降，从而引起电池内阻增大。
2.2 1+5并联连接电池穿刺试验的电压、温度与涌流分析
图4为两组1+5并联连接后被穿刺电池穿刺过程中电压、温度监控曲线。
从图4(a)可知，电池开路电压随着穿刺的进行出现快速下降，在约3.2 min时下降到0 V左右，随后，电压呈上升趋势，趋于平稳，并稳定在0.6 V左右。当穿刺发生时，监控点2和3两处的电池表面温度迅速上升，监控点3在约3.5 min时达到最大值442.5 ℃。从图4(b)可知，
零时刻第2组1+5并联连接后的被穿刺电池，穿刺前期电压出现下降，但随后电压下降比较平稳，并稳定在3.3 V左右。监控点7、8两点处电池温度迅速上升，随后逐渐下降，监控点8在约3.8 min时达到最大值291.0 ℃。两组穿刺电池最高温度出现差异的主要原因是：穿刺处的接触电阻不同，使得穿刺点出产生的焦耳热有差别。接触电阻越小，流经的电流越大，局部温度较高，进而引发其他副反应，因此电池表面温度较高。
从表2可知，第1组和第2组被穿刺后的电池的质量变化量不同，即电解液反应或挥发的量不一样。电池内部电解液越少，导电率越低，导致电池内阻越大。
1+5并联连接被刺后的采用注塑顶盖结构的电池的照片见图5。
从图5可知，注塑顶盖结构电池被刺后，正极柱处的塑胶完全熔化，正极柱因高温而熔，钢壳因短路被烧穿，而两组采用陶瓷顶盖结构的电池穿刺后在穿刺处出现钢壳有被高温灼烧的痕迹，正负极柱与钢壳未出现短路现象，没有发生着火，同时，两组与被穿刺电池并联的5只正常电池均无损伤。因此，采用陶瓷顶盖结构的并联连接的电池穿刺性能好，安全性能得到提高。
两组并联连接的被穿刺电池的涌流监控曲线见图6。
从图6可知，穿刺过程中，两组电池的涌流监控结果不同：第1组电池在130 s左右瞬间反充电流高达256.0 A，而第2组电池在105 s左右瞬间反充电流最大值为143.0 A。两者之间的差异可利用图7的电路原理图解释。
图7中，R1内、R5内分别表示单只电池和5只并联电池内阻，R接表示穿刺处的电池接触电阻，E1和E5分别表示单只电池和5只并联电池的电动势，I表示监测的反充电流。可将被穿刺电池总电阻等效为R1内和R接相并联电阻。穿刺接触电阻比电池内阻要小，穿刺过程中，第1组电池穿刺接触电阻要比第2组电池的要小，因而第1组等效并联电阻要比第2组小，在R5内和E5一定的情况下，第1组电池监控的反充电流整体相比第2组的大。对于并联的动力锂电池模组，当其中1只或几只电池发生内短路时，电池模组中的其他电池会对其放电，电池组的能量会使内短路电池温度急剧上升，极易诱发热失控，最终导致电池燃烧爆炸。因此，当监控整个电池模组时，在发现某只或几只锂电池发生内短路而出现快速升温时，可以切断该电池与模组中其他电池的连接回路，避免出现过大的反充电流。
采用注塑顶盖结构的LiFePO4动力电池在并联连接的穿刺实验过程中由于极柱处温度高，使得密封和固定正负极柱的塑料出现融化现象，导致正负极柱与钢壳发生短路，造成温度
进一步上升，从而引燃电解液。为解决该电池着火问题，对采用陶瓷顶盖结构的单体电池和并联连接的电池分别进行穿刺实验，通过分析可得出如下结论：
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议