電池短路測(cè)試及其防護(hù)措施
針對(duì)電池在實(shí)際使用中可能遇到的風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題,在擠壓、針刺、短路、過(guò)充和過(guò)放、高低溫等眾多可靠性測(cè)試中,模擬電池發(fā)生內(nèi)短路和外短路的擠壓、針刺和外短路測(cè)試是極常見(jiàn)的,也是非常難通過(guò)的可靠性測(cè)試。 究其原因,主要還是因?yàn)檫@兩種可靠性測(cè)試中瞬時(shí)電流過(guò)大,導(dǎo)致電池溫度過(guò)高,從而引發(fā)活性物質(zhì)和電解液的分解燃燒,導(dǎo)致熱失控。 以常見(jiàn)的方形電池為例,由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原因,電池各個(gè)部分產(chǎn)生的熱量擴(kuò)散的速度是不一樣的,因此在電池平面方向和厚度方向上產(chǎn)生明顯的溫度梯度。特別是大電流時(shí),電芯產(chǎn)生的熱量無(wú)法很好擴(kuò)散溫度會(huì)急劇的升高,從而引發(fā)安全性問(wèn)題。 在擠壓測(cè)試中,隨著電池變形程度的增加,正負(fù)極集流體會(huì)首先被撕裂,隨后活性物質(zhì)進(jìn)入失效線內(nèi),隨著變形程度的不斷增加然后失效,引起正負(fù)極短路產(chǎn)生強(qiáng)大的電流,熱量集中釋放溫度急劇上升,引發(fā)熱失控。 針刺試驗(yàn)也是用于模擬鋰離子電池內(nèi)短路的一種方法,基本原理是利用一根金屬針以一定的速度緩慢的插入電池內(nèi)部,引起電池內(nèi)部短路。上限會(huì)有70%左右的能量在60s內(nèi)通過(guò)短路點(diǎn)釋放,由于熱量無(wú)法及時(shí)的擴(kuò)散,短路點(diǎn)瞬間溫度可達(dá)到1000℃以上,從而引發(fā)熱失控。 相較于擠壓和針刺試驗(yàn),外短路測(cè)試則比較溫和。外短路測(cè)試是將電池連接一個(gè)定值電阻,電量通過(guò)電阻進(jìn)行釋放。能否通過(guò)短路測(cè)試主要受短路電流大小的影響,電流越大,則電池?zé)崃慨a(chǎn)生的速度越快。電池?zé)崃繑U(kuò)散速度不會(huì)有太大的變化,電池內(nèi)部積累熱量越多溫度就越高,引發(fā)熱失控幾率就越大。 影響電池短路電流的主要因素是電阻阻值,其次還受電池內(nèi)阻和荷電狀態(tài)等因素的影響。研究發(fā)現(xiàn),影響短路測(cè)試結(jié)果的主要因素是電阻阻值和電池內(nèi)阻的比例,比電池內(nèi)阻和電池荷電狀態(tài)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響還要大。當(dāng)短路電阻的阻值與電池越接近,就越容易發(fā)生熱失控,只有當(dāng)短路電阻的阻值是鋰離子電池內(nèi)阻的9-12倍以上時(shí),電池才能通過(guò)短路安Q全測(cè)試。
從上述分析中不難看出,影響電池可靠性測(cè)試結(jié)果的因素本質(zhì)上是產(chǎn)熱速率和散熱速率。通過(guò)安全保護(hù)設(shè)計(jì)等手段,降低產(chǎn)熱速率,或必要情況下切段電流阻止繼續(xù)產(chǎn)熱,都能有效避免電池發(fā)生熱失控。其次是提高電池散熱速率,通過(guò)電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),提高散熱速率,可以避免電池溫度過(guò)高。電池組尤其需要配備相應(yīng)的散熱手段,確保電池能夠快速散熱保證不引起連鎖反應(yīng)。
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