方形電池的典型問題及解決方法介紹
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-10-14 22:11
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方形電池的容量更大，比圓柱形電池容易。在增加產(chǎn)能的過程中，限制較少。但隨著單體體積的增大，也存在側(cè)脹嚴(yán)重、散熱困難、不均勻性增加等問題。
方形電池的典型問題及解決方法
1）側(cè)脹
鋰離子電池充放電過程中，電池內(nèi)部存在一定的壓力（經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為0.3-0.6mpa）。在相同壓力下，應(yīng)力區(qū)越大，電池殼壁變形越嚴(yán)重。電池膨脹的主要原因是：電池在SEI形成過程中產(chǎn)生氣體，電池內(nèi)壓力升高，方形電池板結(jié)構(gòu)耐壓能力差，導(dǎo)致外殼變形；充電過程中電極材料的晶格參數(shù)發(fā)生變化。在電極膨脹力的作用下導(dǎo)致電極膨脹和電池外殼變形；少量電液分解和電池外殼變形引起高溫儲(chǔ)存。溫度效應(yīng)產(chǎn)生的氣體
體壓的增加導(dǎo)致電池外殼的變形。在上述三個(gè)原因中，電極膨脹引起的殼體膨脹是最重要的一個(gè)。
方形電池的鼓包問題是一個(gè)普遍存在的問題，特別是對(duì)于大容量方形鋰離子電池。方形電池的鼓包會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)阻增大、部分電液耗盡甚至外殼破裂，嚴(yán)重影響電池的安全性和循環(huán)壽命。
張超等。提出了一種利用小型結(jié)構(gòu)加強(qiáng)殼體強(qiáng)度、優(yōu)化布置的方案，解決了方形電池的鼓包問題。
加強(qiáng)殼體強(qiáng)度，將原平面殼體設(shè)計(jì)成加固結(jié)構(gòu)，并通過壓入殼體內(nèi)部來測(cè)試殼體加固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的效果。根據(jù)不同的固定方式（定長(zhǎng)方向和定寬方向），分別進(jìn)行測(cè)試。加固結(jié)構(gòu)效果明顯。以固定寬度為例，在0.3mpa壓力下，加筋結(jié)構(gòu)殼體的變形量為3.2mm，無筋結(jié)構(gòu)殼體的變形量為4.1mm，變形量減少20%以上。
為了優(yōu)化模塊中核心的排列，研究人員比較了兩種排列方式，如下圖所示，變形量如下表所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，布置方式i i的厚度方向變形明顯小于布置方式i。
2）大型方形電池散熱性能變差
隨著電池體積的增大，電池發(fā)熱部分與外殼之間的距離越來越長(zhǎng)，導(dǎo)電介質(zhì)和界面越來越多，使得散熱困難。此外，電池內(nèi)部熱分布不均勻的問題也越來越明顯。
吳偉雄等人。使用3.2V/12Ah矩形鋰離子電池進(jìn)行研究，基數(shù)如表1所示。電池充放電設(shè)備為新威CT-3001W-50V120ANTF。試驗(yàn)過程中，環(huán)境溫度為31℃，冷卻方式為空冷。電池的溫度變化由溫度巡檢儀記錄。實(shí)驗(yàn)步驟如下：
1）電壓充電，用12A電流對(duì)蓄電池充電，直至充電截止電壓為3.65V，停止電流為1.8A；
2）充電后放置1小時(shí)以穩(wěn)定電池。
3）恒流放電，不同速率放電至放電截止電壓2V，放電速率分別設(shè)定為1C、2C、3C、4C、5C、6C。
如下圖所示，對(duì)于電池表面在不同放電速率下的溫度變化，可以看出，溫度隨放電速率的增加而增加，并且對(duì)應(yīng)于每個(gè)放電速率的最大表面溫度分別為38.1、48.3、56.7、64.4、72.2和76.9 C。在3C速率下放電時(shí)，最高溫度超過50℃，在6C時(shí)，溫度達(dá)到76.9，超過50的時(shí)間是470秒，占整個(gè)放電過程的三分之二，這對(duì)電池的安全和連續(xù)運(yùn)行是非常有害的。
采用相變材料（pcms）作為導(dǎo)熱介質(zhì)粘附在單體核表面，大大提高了散熱效果。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
鋰電池系統(tǒng)，對(duì)于防止熱失控問題，最理想的就是能夠直接檢測(cè)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(jià)廉功能好的新型傳感器出現(xiàn)，對(duì)熱失控的預(yù)警和處置也都會(huì)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(jìng)爭(zhēng)力之一。
