方形電池的特點是什么？方形電池典型問題和應(yīng)對
來源：寶鄂實業(yè)
2019-06-16 20:06
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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(fù)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(dāng)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?zé)崾Э匕l(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
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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)《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(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)前進的努力。
德國尤利希研究中心專家日前開發(fā)出一種新型固態(tài)電池，充電率比現(xiàn)有文獻記錄的固態(tài)電池高出十倍。新電池組件由磷酸鹽化合物制成，材料經(jīng)過化學(xué)和機械性能的最佳匹配，實現(xiàn)了電池持續(xù)良好的可通性。
固態(tài)電池因?qū)岵幻舾?，不含任何可能泄漏或著火的液體部件，因此被認(rèn)為比傳統(tǒng)鋰離電池更安全、可靠和耐用。影響固態(tài)電池發(fā)展的關(guān)鍵因素之一是通過的電流低，這會導(dǎo)致電池充電時間較長。一般固態(tài)電池再次充滿需要約10—12個小時，而這款新型電池不到1個小時就能充足電。
項目負(fù)責(zé)人坦普爾博士介紹說，在傳統(tǒng)鋰離電池中使用液體電解質(zhì)，能非常好地接觸電極，具有紋理表面的電極像海綿一樣吸收液體，形成一個大的接觸區(qū)域；而兩種固體材料不能這樣相互結(jié)合，電極和電解質(zhì)之間的接觸電阻相應(yīng)更高，影響電流的通過。
為了使電流在固體層邊界處獲得最大的流動性，研究團隊設(shè)計的固態(tài)電池電極和電解質(zhì)采用非常類似的材料組分，由不同的磷酸鹽化合物制成。固體電解質(zhì)作為穩(wěn)定的載體材料，是在磷酸鹽電極兩側(cè)通過絲網(wǎng)印刷工藝制成，使用的材料價格合理并容易加工。新型固態(tài)電池基本上不含有毒或有害物質(zhì)。
坦普爾稱，他們設(shè)計的固態(tài)電池主要是基于材料的最佳組合，這項設(shè)計證明固態(tài)電池實現(xiàn)高充電率和快速充電是完全可行的，并因此獲得了專利。
參與項目的中國學(xué)者石城宇博士介紹說：“在最初的測試中，新電池的充放電循環(huán)相當(dāng)穩(wěn)定，經(jīng)過500次充放電仍能保持原始容量的84％。當(dāng)然，新電池還有改進空間，理論上做到低于1％的損耗也是可行的。”
尤利希能源和氣候研究所所長艾歇爾教授表示：“新電池目前能量密度為每克約120毫安小時，已經(jīng)非常高了，即使它們?nèi)陨缘陀诋?dāng)今市場上的鋰離電池。”
該固態(tài)電池除了可用于開發(fā)電動汽車，還能應(yīng)用到航空航天、智能住宅和醫(yī)療器械等眾多領(lǐng)域。
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(yán)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(yán)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(yán)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。
