探討鋰離子電池擠壓實驗的影響因素

隨著鋰離子電池在新能源汽車上的大規(guī)模應(yīng)用，人們開始對鋰離子電池的安全性給予了越來越多的關(guān)注，特別是特斯拉較近爆出的多起電動汽車起火事件，更讓人們對于動力電池的安全性多了一份憂慮。為了保證鋰離子電池的安全性，出廠前都要進(jìn)行一系列的安全測試，包括擠壓、針刺和短路等實驗，其中擠壓實驗主要是模擬電動汽車在發(fā)生事故時動力電池發(fā)生形變后的安全性，對于動力電池的安全性具有重要的參考意義。影響擠壓實驗的結(jié)果的因素很多，例如擠壓速度、擠壓的位置等都會影響后面的測試結(jié)果，近日美國麻省理工學(xué)院的BrandyDixon 等對擠壓實驗影響測試結(jié)果的因素進(jìn)行了評估和測試，測試結(jié)果表明某些因素，例如是否有電解液，擠壓測試的速度等會對測試結(jié)果產(chǎn)生顯著的影響，但是有些因素，例如擠壓測試選擇的位置，就對測試結(jié)果幾乎沒有影響。
實驗中采用了軟包鋰離子電池，容量為 52Ah，正極材料為NCA 體系，電池在兩種狀態(tài)下進(jìn)行測試，一種是沒有電解液的干燥狀態(tài)，一種是有電解液，并放電到 0%SoC 的狀態(tài)。

1.電解液對于擠壓測試結(jié)果的影響
通常為了便于分析擠壓測試對鋰離子電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，我們會采用沒有注入電解液的干電池，或者將電解液蒸干后進(jìn)行擠壓測試，但是很少有研究分析電解液對于擠壓測試結(jié)果的影響。BrandyDixon 采用沒有電解液的干燥電池和放空電后的普通電池進(jìn)行了圓形平面擠壓測試和半球形擠壓測試，圓形平面擠壓測試表明沒有電解液的干電池在測試中會產(chǎn)生一個更大的力反饋（如下圖藍(lán)色曲線所示），干燥電池在變形量達(dá)到4mm 時產(chǎn)生的力反饋為 167kN，而有電解液的普通電池僅為150kN。
在半球形擠壓測試中也發(fā)現(xiàn)了同樣的規(guī)律，干電池產(chǎn)生的較大作用力達(dá)到 7.7kN（變形量達(dá)到 4mm 后失效），而有電解液的普通電池較大作用力僅為 5.2kN（變形量為 3mm 后失效），這項測試表明電池中的電解液實際上會對鋰離子電池擠壓測試結(jié)果產(chǎn)生顯著的影響，聚合物隔膜在經(jīng)過電解液浸泡后會發(fā)生軟化，因此會比干燥狀態(tài)下更早的失效。從BrandyDixon 的測試結(jié)果來看采用干燥電池得到的擠壓測試結(jié)果會比電池的實際狀態(tài)更大一些，因此干燥電池的擠壓實驗測試得到的結(jié)果并不能完全代表鋰離子電池的實際使用情況。

2.擠壓位置對測試結(jié)果的影響
由于鋰離子電池在發(fā)生事故擠壓變形的過程可能在鋰離子電池不同的位置，而我們進(jìn)行擠壓測試時通常會選擇將電池的中央位置作為測試位置，那么擠壓測試結(jié)果能夠表征鋰離子電池在實際使用中的所有情況呢？對此，BrandyDixon 通過在干燥鋰離子電池的不同位置進(jìn)行擠壓測試，分析了擠壓的位置對于測試結(jié)果的影響。BrandyDixon 選擇了四個位置進(jìn)行測試，其中第一個位置為電池的中央，距離鋰離子電池長邊約65mm，第二個位置距離長邊約 30mm，第三個位置距離鋰離子電池的長邊約 10mm，第四個和第五個點都位于鋰離子電池的邊緣位置，其中第五個點的中心位置位于鋰離子電池的邊緣上。下圖 a 為測試結(jié)果，從結(jié)果來看除非擠壓位置位于鋰離子電池的邊緣上，否則擠壓測試的位置對測試結(jié)果基本上沒有影響，也就是我們在擠壓測試的時候可以選擇除了邊緣的任何位置。

3.擠壓速度對于測試結(jié)果的影響
在鋰離子電池的實際使用中往往會面臨不同的擠壓速率的考驗，那么擠壓速度是否會對測試結(jié)果產(chǎn)生顯著的影響呢？為此BrandyDixon 采用 0.2mm/min 到 20mm/min 的速度進(jìn)行了擠壓測試，測試結(jié)果如下圖 c 所示，從圖中能夠看到擠壓速度會對擠壓測試的較大作用力產(chǎn)生明顯的影響，例如在20mm/min 的速度下，較大作用力為 8.4kN，而在0.2mm/mm 的速度下較大作用力僅為 7.3kN，但是如果擠壓速度在一個數(shù)量級上，例如 10mm/min 和 20mm/min，1mm/min 和 2mm/min 就會得到相同的測試結(jié)果。

4.擠壓測試的重復(fù)性
擠壓測試作為一種破壞性的試驗，只能通過抽樣的方式來進(jìn)行試驗，因此測試電池得到的試驗結(jié)果是否具有可重復(fù)性，能夠多大程度上代表其他同批次電池就成為一個重要的問題。為了驗證擠壓測試的試驗結(jié)果是否具有可重復(fù)性，BrandyDixon采用直徑分別為 12.6mm、28mm 和 44mm 的半球形擠壓頭對鋰離子電池進(jìn)行了擠壓測試，結(jié)果如下圖 c 所示。從測試結(jié)果來看，不同直徑的擠壓測試頭在多次擠壓測試中得到的曲線高度重合，僅僅是在較大作用力上有輕微的差別，這表明擠壓測試的重復(fù)性非常好，能夠僅僅通過測量少量的鋰離子電池表征同批次電池的安全性。
擠壓測試是動力電池非常重要的安全測試，BrandyDixon 的研究為我們指明了哪些因素會對擠壓測試的結(jié)果產(chǎn)生顯著的影響，需要我們進(jìn)行嚴(yán)格的控制，而那些因素對于后面測試結(jié)果的影響不大，可以適當(dāng)?shù)姆艑捪拗?。同時 BrandyDixon 的研究也表明了擠壓測試具有非常好的可重復(fù)性，因此我們能夠通過對少量電池進(jìn)行擠壓測試，而表征同批次的電池的安全性。

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| 發(fā)布時間：2018.07.20 來源：電源適配器廠家

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