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動力電池?cái)D壓機(jī)械損傷后性能演化研究
2020-08-14 15:19:26· 來源：電動學(xué)堂
對于電池在受到外力之后產(chǎn)生微小形變的機(jī)械損傷后電池后安全性和電性能情況，目前尚無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求和性能演化結(jié)果的報道。電池微小的機(jī)械損傷卻為日后電動汽車的
對于電池在受到外力之后產(chǎn)生微小形變的機(jī)械損傷后電池后安全性和電性能情況，目前尚無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求和性能演化結(jié)果的報道。電池微小的機(jī)械損傷卻為日后電動汽車的使用埋下不得而知的安全隱患，并可能對車輛的性能表現(xiàn)產(chǎn)生潛在影響。
為此，有必要對動力電池機(jī)械損傷后電池進(jìn)行評估研究，內(nèi)容涵蓋后安全性和電性能差異，為行業(yè)提供用戶端演化實(shí)驗(yàn)支撐，同時也可為二手車車輛殘值評估提供相關(guān)數(shù)據(jù)參考。
本文通過人為制造單體電池?cái)D壓機(jī)械損傷，模擬車輛在受到撞擊、沖擊等因素造成車輛電池系統(tǒng)內(nèi)部單體電池發(fā)生損傷的場景，對比不同損傷形變電池?fù)p傷前后過充電、過放電、短路等安全性實(shí)驗(yàn)差異結(jié)果以及常溫、高溫倍率放電等電性能實(shí)驗(yàn)差異結(jié)果回，從而對鋰離子電池的擠壓機(jī)械損傷進(jìn)行研究，分析其對鋰離子電池的影響。
1實(shí)驗(yàn)
1.1研究對象
2018年上半年，國內(nèi)電動汽車市場動力電池裝機(jī)量為15.52GWha其中，方形電池為11.75GWh，占比75.77%，排在首位；軟包電池為1.95GWh，占比12.53%，排在第二位；圓柱電池以1.82GWh占比11.70%，排在第三位。為使結(jié)果更具有代表性，本文選取某款商業(yè)化三元方形鋰離子電池作為研究對象，其各項(xiàng)參數(shù)如表1所示。
1.2機(jī)械損傷方案
針對方形電池結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及在電池系統(tǒng)內(nèi)部的排列方式，對其最容易受到擠壓的部分施加擠壓損傷I呵。實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)并使用了包含限位裝置在內(nèi)的可調(diào)節(jié)擠壓形變夾具，如圖1所示。當(dāng)擠壓到達(dá)預(yù)調(diào)節(jié)位置時，擠壓實(shí)驗(yàn)機(jī)的最尖端困接觸夾具主體部分而到達(dá)實(shí)驗(yàn)機(jī)擠壓力最高限值而停止擠壓。采用此種方案可分別獲得本文所需的5%、10%、20%的損傷形變量，分別對應(yīng)4.5，9.0、18.0mm形變量。
通過上述人為制造電池?cái)D壓機(jī)械損傷后，對比不同損傷形變電池?fù)p傷前后過充電、過放電、短路等安全性實(shí)驗(yàn)差異結(jié)果以及常溫、高血倍率放電等電性能實(shí)驗(yàn)差異結(jié)果，分析其對鋰離子電池的影響。
2結(jié)果與討論
2.1損傷后電池安全性分析
2.1.1過放電安全分析
對不同損傷形變的電池樣品，進(jìn)行過放電測試，如圖2所示。自100%SOC開始，以1C電流進(jìn)行90min過放電實(shí)驗(yàn)。分析不同擠壓損傷程度樣品的過放電數(shù)據(jù)，可以得到過放電容量一電壓關(guān)系曲線圖，如圖3所示。
從圖3中可見，損傷后電池的放電電壓較損傷前均有不同程度下降，且電壓在放電過程中下降的程度隨擠壓損傷形變的增大而增加。損傷形變?yōu)?0%的放電電壓平臺較5%形變的放電電壓平臺低0.10.2V，但此三種形變下的電池在過放結(jié)束并觀察2h后，均未出現(xiàn)冒煙、起火、爆炸、漏液等安全危害。由此可見機(jī)械損傷對電池的過放電有一定影響，損傷程度的不同影響過放電過程的電壓變化，但其不同損傷程度對電池實(shí)際過放電的安全及性能影響并不十分顯著。
2.1.2過充電安全分析
自100%SOC開始，對不同損傷程度的電池進(jìn)行1c過充電實(shí)驗(yàn)，直至電池達(dá)到安全失控，出現(xiàn)起火爆炸等現(xiàn)象時停止，如圖4所示。通過分析過充電數(shù)據(jù)，可以得到過充電后的放電容量一電壓關(guān)系曲線，如圖5所示。
從圖5中可見，隨著擠壓損傷程度的增加，電池的過充電過程電壓會更快達(dá)到峰值。在5%的損傷形變下，電池在充電34min19s時電壓達(dá)到峰值5.49V；在10%的損傷形變下，電池在充電34min40s時電壓達(dá)到峰值5.47v；在20%的損傷形變下，電池在充電32min17s時電壓達(dá)到峰值5.13v。此外，在20%的損傷形變下，電池內(nèi)部各極片層都已發(fā)生不同程度的裙皺變形，失去原有完好光滑的形態(tài)，電池內(nèi)部的各部分薄膜與電極受到較大破壞，很難再維持原有電壓，從而電壓會比其他輕微損傷程度下的低。
不同損傷程度電池發(fā)生安全失控的時間也不同。無損傷形變的電池在45min 17s時發(fā)生安全失控；5%損傷的電池在44min 10s時發(fā)生安全失控；10%損傷形變的電池在43min 49s時發(fā)生安全失控；20%損傷形變的電池在43min 4s時發(fā)生安全失控。由以上數(shù)據(jù)可以得到，電池在受到更深程度變形的機(jī)械損傷時在過充情況下會更快發(fā)生安全失控，從而造成危險事故。
2.1.3短路安全分析
對不同損傷程度下電池進(jìn)行短路實(shí)驗(yàn)，如圖6所示。短路實(shí)驗(yàn)自100%SOC開始，通過電流霍爾傳感器，可記錄短路觸發(fā)瞬間的回路電流，如圖7所示。無損傷及3種損傷后的電池在短路實(shí)驗(yàn)中均未發(fā)生起火、爆炸、漏液等安全危害。進(jìn)一步地，通過對短路實(shí)驗(yàn)中短路電流及電池溫度的分析，可以得到不同損傷形變對電池短路的微觀影響。
觀察如圖7所示的短路電流短路時間實(shí)驗(yàn)曲線，可得到損傷形變與短路峰值電流有著較為明顯的關(guān)系。擠壓損傷程度從0%、5%、10%、20%不斷增加，電池的短路峰值電流也隨之下降。在元損傷情況下，電池的短路峰值電流為2324A；損傷形變量為5%時，短路最高峰值電流為1764A；損傷形變量為10%時，短路峰值電流為1623A；損傷形變量為20%時，短路峰值電流為1496A。隨著損傷程度的不斷加深，短路峰值電流也逐漸降低。這是由于擠壓損傷會破壞電池內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致電池內(nèi)部正負(fù)極板裙皺扭曲，電池的總體有效內(nèi)部反應(yīng)面積減小，同時正負(fù)極材料本體之間、材料與集流體和隔膜之間內(nèi)阻加大，此兩者均會直接導(dǎo)致當(dāng)擠壓損傷程度大時短路電流降低。
擠壓損傷后的電池，在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上已發(fā)生改變。在短路過程中，對電池?fù)p傷面與非損傷面中心處進(jìn)行溫度監(jiān)控，得到不同損傷形變下電池短路引起的溫升變化曲線，如圖8所示。
由圖8可得，在無損傷的情況下電池溫升較低，204s時溫升達(dá)到最高2.5K；5%損傷形變下，電池?fù)p傷面溫度在短路后205s.時達(dá)到最高溫升6.3K，隨后開始下降，非損傷面溫度短路后116s時達(dá)到最高溫升5.6K，隨后開始下降；10%損傷形變下，電池?fù)p傷面溫度在65s時達(dá)到最高溫升7.9K，非損傷面在73s時達(dá)到最高溫升7.1K；20%損傷形變下，電池?fù)p傷面溫度在53s時達(dá)到最高溫升9.7K，非損傷面在125s時達(dá)到最高溫升10.1K。
通過以上數(shù)據(jù)，對于同一塊電池，短路開始后機(jī)械損傷面的溫度高于非損傷面，且損傷面的溫升速率高于非損傷面；進(jìn)一步地，當(dāng)損傷形變更嚴(yán)重時，無論損傷面還是非損傷面，電池的溫升速率均開始加快。這是由于損傷處電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生榴皺形變，形變處內(nèi)阻增大，在發(fā)生短路時由內(nèi)阻引起的熱效應(yīng)更加明顯，且這種趨勢隨著擠壓損傷程度的加深而增大。
2.2損傷后電性能分析
2.2.1常溫倍率放電性能分析
在電性能方面，選取10%擠壓機(jī)械損傷形變量后的電池與新電池進(jìn)行對比分析，研究在不同放電倍率下?lián)p傷前后電池在25℃室溫和45℃高溫下的放電性能差異。
從圖9中可見，25℃室溫1c、0.5c、0.33c不同倍率下，擠壓損傷后的放電容量均低于損傷前放電容量。從數(shù)據(jù)分析看，1c條件下，損傷前放電容量42.18Ah，損傷后放電容量41.47Ah，相差0.71Ah；0.5c條件下，損傷前放電容量42.68Ah，損傷后放電容量42.05Ah，相差0.63Ah；0.33c條件下，損傷前放電容量42.85Ah，損傷后放電容量42.51Ah相差0.34Ah。
2.2.2高溫倍率放電性能分析
從圖10中可見，45℃高溫環(huán)境1C、0.5c、0.33c不同倍率下，擠壓損傷后的放電容量同樣略低于損傷前放電容量。從數(shù)據(jù)分析看，1C條件下，損傷前放電容量42.87Ah嚷?lián)p傷后放電容量42.31Ah，相差0.44Ah；0.5c條件下，損傷前放電容量42.92Ah，損傷后放電容量42.84Ah相差0.08Ah；0.33c條件下，損傷前放電容量43.07Ah，損傷后放電容量42.47Ah相差0.60Ah。
綜合25和45℃不同倍率的放電結(jié)果，鋰離子電池在受到擠壓損傷后，由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的扭曲與破壞，其放電容量相比正常情況有所下降，在性能方面對動力電池造成一定影響。
3總結(jié)
本文選取了一款三元體系方形鋰離子動力電池，通過人為制造單體電池?cái)D壓機(jī)械損傷，對比了不同損傷形變電池?fù)p傷前后過充電、過放電、短路等安全性實(shí)驗(yàn)差異結(jié)果及常溫、高溫倍率放電等電性能實(shí)驗(yàn)差異結(jié)果。
此款三元方形電池在造成5%20%擠壓機(jī)械損傷程度時，損傷后電池進(jìn)行過放電，未發(fā)生冒煙、起火、爆炸、漏液等安全危害，過放電電壓平臺有微小下降，但未見明顯變化；損傷后電池進(jìn)行過充電，隨著擠壓損傷程度的不斷加深，過充電過程電壓更快達(dá)到峰值，熱安全事故更快發(fā)生，將增加對乘員安全的危險程度：損傷后電池進(jìn)行短路，未發(fā)生冒煙、起火、爆炸、漏液等安全危害。短路時表現(xiàn)為隨著擠壓損傷程度的增大，短路電流逐漸減小，且存在機(jī)械損傷面的溫度高于非損傷面，損傷面的溫升速率高于非損傷面。進(jìn)一步地，當(dāng)損傷形變更嚴(yán)重時，無論損傷面還是非損傷面，電池的溫升速率均開始加快。
擠壓損傷形變在10%時，根據(jù)25和45℃不同倍率的放電結(jié)果，均存在擠壓損傷后的放電容量略低于損傷前的情況，說明擠壓損傷會對電池性能造成影響，但總體來看這種損傷前后的放電容量電性能差異并不明顯。
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