詳解方形電池的優(yōu)缺點(diǎn)及典型問題和應(yīng)對
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-07-08 17:07
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優(yōu)點(diǎn)，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(kuò)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(xiàng)；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(diǎn)，由于方形鋰電池可以根據(jù)產(chǎn)品的尺寸進(jìn)行定制化生產(chǎn)，所以市場上有成千上萬種型號，而正因?yàn)樾吞柼?，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。
說到這里，不能不提一下2017年7月頒布，今年2月正式實(shí)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，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(yàn)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(qiáng)殼體強(qiáng)度；優(yōu)化排列方式兩個角度，解決方形電池鼓脹問題。
加強(qiáng)殼體強(qiáng)度，把原來的平面殼體設(shè)計(jì)成加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，并以向殼體內(nèi)部打壓的方式，測試殼體加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(qiáng)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(qiáng)結(jié)構(gòu)的變形量為3.2mm，而沒有加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的殼體變形量達(dá)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(jìn)行了一項(xiàng)研究，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(dá)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。
