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针对电池在实际使用中可能遇到的风险问题,在挤压、针刺、短路、过充和过放、高低温等众多可靠性测试中,模拟电池发生内短路和外短路的挤压、针刺和外短路测试是极常见的,也是非常难通过的可靠性测试。
究其原因,主要还是因为这两种可靠性测试中瞬时电流过大,导致电池温度过高,从而引发活性物质和电解液的分解燃烧,导致热失控。
以常见的方形电池为例,由于结构设计原因,电池各个部分产生的热量扩散的速度是不一样的,因此在电池平面方向和厚度方向上产生明显的温度梯度。特别是大电流时,电芯产生的热量无法很好扩散温度会急剧的升高,从而引发安Q全性问题。
在挤压测试中,随着电池变形程度的增加,正负极集流体会首先被撕裂,随后活性物质进入失效线内,随着变形程度的不断增加然后失效,引起正负极短路产生强大的电流,热量集中释放温度急剧上升,引发热失控。
针刺试验也是用于模拟锂离子电池内短路的一种方法,基本原理是利用一根金属针以一定的速度缓慢的插入电池内部,引起电池内部短路。上限会有70%左右的能量在60s内通过短路点释放,由于热量无法及时的扩散,短路点瞬间温度可达到1000℃以上,从而引发热失控。
相较于挤压和针刺试验,外短路测试则比较温和。外短路测试是将电池连接一个定值电阻,电量通过电阻进行释放。能否通过短路测试主要受短路电流大小的影响,电流越大,则电池热量产生的速度越快。电池热量扩散速度不会有太大的变化,电池内部积累热量越多温度就越高,引发热失控几率就越大。
影响电池短路电流的主要因素是电阻阻值,其次还受电池内阻和荷电状态等因素的影响。研究发现,影响短路测试结果的主要因素是电阻阻值和电池内阻的比例,比电池内阻和电池荷电状态对实验结果的影响还要大。当短路电阻的阻值与电池越接近,就越容易发生热失控,只有当短路电阻的阻值是锂离子电池内阻的9-12倍以上时,电池才能通过短路安Q全测试。
从上述分析中不难看出,影响电池可靠性测试结果的因素本质上是产热速率和散热速率。通过安Q全保护设计等手段,降低产热速率,或必要情况下切段电流阻止继续产热,都能有效避免电池发生热失控。其次是提高电池散热速率,通过电池结构设计,提高散热速率,可以避免电池温度过高。电池组尤其需要配备相应的散热手段,确保电池能够快速散热保证不引起连锁反应。
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