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，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。

 

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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(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(yuǎn)低于單體壽命的問題。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。

 

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。

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。

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。