鋰離子電池發(fā)生內(nèi)部短路該怎么辦？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-10-27 16:03
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內(nèi)部短路是鋰離子電池最嚴(yán)重的安全事故。鋰離子電池一旦發(fā)生內(nèi)部短路，在短路點(diǎn)附近的短時(shí)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，這將導(dǎo)致連鎖反應(yīng)，最終導(dǎo)致鋰離子電池?zé)峥刂频膩G失。機(jī)械損傷試驗(yàn)是檢測(cè)鋰離子電池內(nèi)部短路安全性的有效方法。
桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在美國(guó)JoshuaLamb(第一作者和通訊作者)的方法生硬的細(xì)桿擠壓導(dǎo)致鋰離子電池內(nèi)部短路,這種方法只會(huì)引起電極短路電池的外層,而不會(huì)造成嚴(yán)重破壞鋰離子電池,研究發(fā)現(xiàn)，圓柱形的鋰離子電池中間支撐鋼筋對(duì)鋰離子電池的短路行為有重要影響。
常規(guī)針刺試驗(yàn)在很短的時(shí)間內(nèi)通過(guò)多個(gè)電極,造成大面積的短路,而傳統(tǒng)的擠壓測(cè)試可以引起局部短路,但會(huì)造成巨大破壞鋰離子電池的結(jié)構(gòu),所以這兩個(gè)傳統(tǒng)內(nèi)部短路模擬方法可以很好的減少行為的鋰離子電池短路。這里作者采用美國(guó)保險(xiǎn)協(xié)會(huì)和美國(guó)宇航局共同開(kāi)發(fā)一個(gè)生硬的細(xì)桿擠壓方法對(duì)于鋰離子電池測(cè)試,這種方法可使鋰離子電池內(nèi)部發(fā)生短路,但不會(huì)造成嚴(yán)重?fù)p害的鋰離子電池,也能更好地模擬鋰離子電池短路的情況。
在實(shí)驗(yàn)中，筆者使用了三種電池，一種來(lái)自L(fǎng)G ICR18650 S3電池，容量為2200mAh，一種來(lái)自松下CGR18650CG電池，容量為2200mAh，一種來(lái)自AA移動(dòng)電源公司，容量為3000mAh。兩個(gè)18650電池的CT掃描結(jié)構(gòu)如下圖所示。它們之間的主要區(qū)別可以從圖中看出，在18650電池的中間有一個(gè)鋼芯，它支撐著電池。
實(shí)驗(yàn)中使用的鈍細(xì)桿的結(jié)構(gòu)如下圖所示。細(xì)桿直徑3mm，擠出速度2mm/min，直至電池電壓下降100mV，擠出停止。擠出方向分別設(shè)定為水平擠出和垂直擠出。
下面是18650年LG的垂直方向擠壓測(cè)試電池,可以看到的圖片開(kāi)始擠壓不顯著影響電池的電壓和溫度,直到擠出的深度為10.7毫米,硬突然短路電池,電池電壓突然降低,電池溫度急劇上升,達(dá)到470℃,電池?zé)崾Э?CT掃描發(fā)現(xiàn)在電池鋁顆粒的存在,表明熱失控電池內(nèi)部溫度超過(guò)660℃。
如果我們改變方向的擠壓從垂直方向到水平方向(如下圖所示),我們可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)擠壓量是5.4毫米,電池突然硬短路,電池溫度繼續(xù)上升,達(dá)到455℃,電池失去熱控制。
LG擠壓測(cè)試電池的作者還發(fā)現(xiàn)少數(shù)(< 25%)的電池是不能直接硬短路發(fā)生,但軟短路(如下圖所示),當(dāng)擠壓量5.7毫米時(shí),突然降至約1.6 V的電池電壓、電池的最高溫度達(dá)到95℃,但當(dāng)擠壓后移除電池電壓,回到3.1 V,表明短路點(diǎn)的阻抗較大,從CT掃描的同時(shí),我們可以看到電池中心沒(méi)有支架，所以電池發(fā)生了嚴(yán)重的變形，所以它可以吸收一部分的擠壓，從而避免了電池的硬短路。
低于18650年松下電池在水平方向擠壓測(cè)試結(jié)果,從這幅圖中看到電池?cái)D壓量達(dá)到4.1毫米發(fā)生突然短路,電池很快降低到0,電池溫度上升很快,600℃,150℃高于LG電池,主要是因?yàn)?8650年松下電池采用LiCoO2材料的熱穩(wěn)定性差,LG電池使用混合金屬氧化物材料(具體未知成分)。松下電池的短路變形相對(duì)較小，主要是由于電池中心的鋼芯的存在，限制了電極向內(nèi)坍塌，所以較小的變形會(huì)導(dǎo)致電池短路。
