淺析方形鋰電池容量放大后的典型問題和應(yīng)對方法

本文主要介紹方形鋰電池基本結(jié)構(gòu)，優(yōu)缺點，典型模組；電池做大以后側(cè)面鼓脹問題及應(yīng)對，散熱不良問題及應(yīng)對。共3500字，大約9分鐘可以讀完。

方形電池基本結(jié)構(gòu)

如上面爆炸圖所示，一個典型的方形鋰電池，主要組成部件包括：頂蓋，殼體，正極板、負極板、隔膜組成的疊片或者卷繞，絕緣件，安全組件等。其中，紅圈中的兩個是安全結(jié)構(gòu)，NSD針刺安全裝置；OSD過充保護裝置。

針刺安全保護裝置(NSD，Nail Safety Device)。這是在卷芯的最外面加上了金屬層，例如銅薄片。當針刺發(fā)生時，在針刺位置產(chǎn)生的局部大電流通過大面積的銅薄片迅速把單位面積的電流降低，這樣可以防止針刺位置局部過熱，緩減電池熱失控發(fā)生。

過充安全保護裝置(OSD，Overcharge Safety Device)，目前這個安全設(shè)計在很多電池上都能看到。一般是一個金屬薄片，配合fuse使用，fuse可以設(shè)計到正極集流體上，過充時電池內(nèi)部產(chǎn)生的壓力使得OSD觸發(fā)內(nèi)部短路，產(chǎn)生瞬間大電流，從而使Fuse熔斷，從而切斷電池內(nèi)部電流回路。

殼體一般為鋼殼或者鋁殼，隨著市場對能量密度的追求的驅(qū)動以及生產(chǎn)工藝的進步，鋁殼逐漸成為主流。

方形電池特點

方形電池是國內(nèi)較早推廣的一種動力電池形式。2016年數(shù)據(jù)顯示，國內(nèi)圓柱、軟包、方形鋰電池產(chǎn)量分別為13.92GWh、21.64GWH、28.14GWh，占比分別為21.85%、33.97%、44.17%。方形電池重新獲得了市場的重視。

優(yōu)點，方形電池封裝可靠度高；系統(tǒng)能量效率高；相對重量輕，能量密度較高；結(jié)構(gòu)較為簡單，擴容相對方便，是當前通過提高單體容量來提高能量密度的重要選項；單體容量大，則系統(tǒng)構(gòu)成相對簡單，使得對單體的逐一監(jiān)控成為可能；系統(tǒng)簡單帶來的另外一個好處是穩(wěn)定性相對好。

缺點，由于方形鋰電池可以根據(jù)產(chǎn)品的尺寸進行定制化生產(chǎn)，所以市場上有成千上萬種型號，而正因為型號太多，工藝很難統(tǒng)一；生產(chǎn)自動化水平不高，單體差異性較大，在大規(guī)模應(yīng)用中，存在系統(tǒng)壽命遠低于單體壽命的問題。

說到這里，不能不提一下2017年7月頒布，今年2月正式實施的國家推薦標準《GB/T 34013-2017 電動汽車用動力蓄電池產(chǎn)品規(guī)格尺寸》，其中針對方形電池，給出了8個系列的尺寸，如下圖和下表所示。

個人覺得，對電芯規(guī)格尺寸做出引導(dǎo)，短期也許沒有特別明顯的效果，甚至有人覺得這個時候給出指導(dǎo)意見，會束縛行業(yè)發(fā)展，而改變產(chǎn)品尺寸，對電芯生產(chǎn)來說，還不僅僅是工裝模具的問題，影響甚大。但作為一個推薦標準，只要能夠給籌備新生產(chǎn)能力和做產(chǎn)線調(diào)整的廠家一個傾向，長期來看，必然對規(guī)格尺寸逐漸的向系列化方向發(fā)展有推動作用。而電芯和模塊的一致性，是真正實現(xiàn)梯次利用的前提。至于技術(shù)路線在今后可能出現(xiàn)跨越，其實并不影響沒有出現(xiàn)跨越之前向可見目標前進的努力。

主要廠家

剛剛在“電池中國”看到兩張表格，國內(nèi)主要廠商信息都在這里了。

數(shù)據(jù)來源：動力電池應(yīng)用分會研究部整理

國外的主要廠家三星SDI，正極材料主要采用NCA和NCM，方形鋁殼。著名案例寶馬i3。三星官網(wǎng)顯示的方形電池單體。產(chǎn)品包括高能量的BEV(純電動)60Ah、94Ah電池； PHEV(插電式混合電動車)26Ah、37Ah電池(26Ah會逐漸被37Ah取代)；HEV(混合電動車)5.2Ah、5.9Ah電池；高功率電池(4.0Ah、11Ah)，共4個系列。

典型方形電池模組

下圖是三菱2011年的i-MiEV電池模塊， PCB板采集cell的電壓、溫度，兩端通過螺栓緊固。cell之間是最常見的busbar和螺栓連接方式。

接下來是2012MY豐田普瑞斯PHEV電池模塊，采用線束（現(xiàn)在來看這種線束的采集方式，感覺在有些場合下是十分麻煩的，存在隱患）來采集cell信息，也是采用螺栓的連接方式，不過增加了橙色的部分進行保護。

下面是2014MY大眾捷達HEV的電池模塊，通過側(cè)面的兩根壓條來緊固模塊，端板外側(cè)加上塑料蓋板進行絕緣。

大眾eGolf2015MY電池模塊，端板的設(shè)計的功能比較豐富，減重的同時滿足了結(jié)構(gòu)強度需求，還達到了組裝時的需求，采用PCB板采集cell信息，模塊兩端只需要留出低壓接頭（現(xiàn)在采用這種方式的模塊越來越多了）。

下圖是奧迪2014年的一個PHEV2的模塊設(shè)計概念圖，匹配液冷板的設(shè)計，從爆炸圖可以看到上面看不到的一些內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

寶馬i3，使用三星SDI方形電芯。電池包共有8個模組組成，每個模組有12個電芯串聯(lián)，共計96個電芯串聯(lián)，183km續(xù)航版本使用94Ah電芯，如下圖所示。（說明一下，下圖不是現(xiàn)在傳說中的那個最新版，網(wǎng)上流傳的視頻顯示最新版的pack箱體已經(jīng)與前面版本不同。）鋁焊接模組殼體，四角有安裝過孔固定到pack箱體內(nèi)，結(jié)構(gòu)簡單，有利于實現(xiàn)自動化制造。

方形電池把容量做大，相對圓柱電芯要容易，在提升容量的過程中，受到的限制比較少。但隨著單體體積的增加，也出現(xiàn)了一些問題，比如側(cè)面鼓脹嚴重，散熱困難且不均勻性增大。

方形電池典型問題和應(yīng)對

1）側(cè)面鼓脹問題

鋰離子電池在充放電過程中電池的內(nèi)部存在一定的壓力(經(jīng)驗數(shù)據(jù)0.3～0.6 MPa)，在相同的壓力下，受力面積越大，電池殼壁的變形越嚴重。引起電池膨脹的重要原因：化成時形成SEI 的過程中產(chǎn)生氣體，電池內(nèi)氣壓升高，由于方形電池平面結(jié)構(gòu)耐壓能力差，因此造成殼體變形；充電時電極材料晶格參數(shù)發(fā)生變化，造成電極膨脹，電極膨脹力作用于殼體，造成電池殼體變形；高溫貯存時，少量電液分解及由于溫度效應(yīng)氣

體壓力增大，造成電池殼體變形。在以上三個原因中電極膨脹而引起的殼體膨脹是最主要原因。

方形電池的鼓脹問題是一個通病，特別是大容量方形鋰離子電池更為嚴重，電池鼓脹會造成電池的內(nèi)阻增加、局部的電液枯竭甚至殼體破裂，嚴重地影響了電池的安全性及循環(huán)壽命。

張超等人給出的方案，利用小結(jié)構(gòu)形式，加強殼體強度；優(yōu)化排列方式兩個角度，解決方形電池鼓脹問題。

加強殼體強度，把原來的平面殼體設(shè)計成加強結(jié)構(gòu)，并以向殼體內(nèi)部打壓的方式，測試殼體加強結(jié)構(gòu)設(shè)計的效果，按照固定方式的不同（固定長度方向和固定寬度方向），分別測試?？梢悦黠@觀察到加強結(jié)構(gòu)的作用。以寬度固定情形為例，在0.3Mpa壓力下，有加強結(jié)構(gòu)的變形量為3.2mm，而沒有加強結(jié)構(gòu)的殼體變形量達到4.1mm，變形量降低了20%以上。

寬度固定條件下打壓：

長度固定條件下打壓：

優(yōu)化模組中電芯排列方式，研究人員對比了兩種排列型式，如下圖所示，變形量如下面表格所示。對比發(fā)現(xiàn)，排列方式Ⅱ的厚度方向變形量明顯小于排列方式Ⅰ。

2）大型方形電池散熱性能變差

隨著單體體積的增大，電池內(nèi)部發(fā)熱部分距離殼體的距離越來越長，傳導(dǎo)的介質(zhì)、界面越來越多，使得散熱變得困難，并且在單體上，熱量分布不均的問題越來越明顯。

吳偉雄等人進行了一項研究，實驗采用3.2 V/12 Ah 的方形鋰離子電池，其基數(shù)如表1 所示。電池充放電設(shè)備為新威CT-3001W-50V120ANTF,測試過程中環(huán)境溫度為31 ℃，散熱方式為空氣冷卻，用溫度巡檢儀記錄電池的溫度變化。實驗步驟：

1) 壓充電，用12A 電流給電池充電至充電截止電壓3.65V止電流1.8A；

2) 擱置，充電后擱置1 小時以使電池穩(wěn)定；

3) 恒流放電，以不同的倍率放電至放電截止電壓2 V。其中，放電倍率分別按為1C、2C、3C、4C、5C、6C 設(shè)定。

如下圖所示，為不同放電倍率下電池表面的溫度變化，可以看到，隨著倍率增加，溫度也越來越高，各放電倍率對應(yīng)的電池表面最高溫度分別為38.1、48.3、56.7、64.4、72.2、76.9 ℃。3C 倍率放電時，最高溫度已超過50 ℃。6C 時溫度達到了76.9 ℃且超過50 ℃的時間為470 s，占到了整個放電過程的三分之二，這對于電池安全持續(xù)工作非常不利。

利用相變材料作為導(dǎo)熱介質(zhì)，附著在單體電芯表面，散熱效果得到大幅度改善。

施加導(dǎo)熱材料后的溫升對比如下圖所示：

另外，也有方案，將導(dǎo)熱材料與水冷相結(jié)合，讓水冷系統(tǒng)把導(dǎo)熱材料吸收過來的熱量傳遞到系統(tǒng)外部去，其形式如下圖所示：

鋰電池系統(tǒng)，對于防止熱失控問題，最理想的就是能夠直接檢測到每一顆電芯的參數(shù)（最基本的溫度，電壓、電流等），這樣的話，即使沒有新型物美價廉功能好的新型傳感器出現(xiàn)，對熱失控的預(yù)警和處置也都會成為可能。系統(tǒng)內(nèi)電芯數(shù)量少，這應(yīng)該是方形電池重要的競爭力之一。