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探討鋰離子電池擠壓實驗的影響因素

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探討鋰離子電池擠壓實驗的影響因素

隨著鋰離子電池在新能源汽車上的大規模應用，人們開始對鋰離子電池的安全性給予了越來越多的關注，特別是特斯拉最近爆出的多起電動汽車起火事件，更讓人們對于動力電池的安全性多了一份憂慮。為了保證鋰離子電池的安全性，出廠前都要進行一系列的安全測試，包括擠壓、針刺和短路等實驗，其中擠壓實驗主要是模擬電動汽車在發生事故時動力電池發生形變后的安全性，對于動力電池的安全性具有重要的參考意義。影響擠壓實驗的結果的因素很多，例如擠壓速度、擠壓的位置等都會影響最終的測試結果，近日美國麻省理工學院的BrandyDixon 等對擠壓實驗影響測試結果的因素進行了評估和測試，測試結果表明某些因素，例如是否有電解液，擠壓測試的速度等會對測試結果產生顯著的影響，但是有些因素，例如擠壓測試選擇的位置，就對測試結果幾乎沒有影響。
實驗中采用了軟包鋰離子電池，容量為 52Ah，正極材料為NCA 體系，電池在兩種狀態下進行測試，一種是沒有電解液的干燥狀態，一種是有電解液，并放電到 0%SoC 的狀態。

1.電解液對于擠壓測試結果的影響
通常為了便于分析擠壓測試對鋰離子電池內部結構的影響，我們會采用沒有注入電解液的干電池，或者將電解液蒸干后進行擠壓測試，但是很少有研究分析電解液對于擠壓測試結果的影響。BrandyDixon 采用沒有電解液的干燥電池和放空電后的普通電池進行了圓形平面擠壓測試和半球形擠壓測試，圓形平面擠壓測試表明沒有電解液的干電池在測試中會產生一個更大的力反饋（如下圖藍色曲線所示），干燥電池在變形量達到4mm 時產生的力反饋為 167kN，而有電解液的普通電池僅為150kN。
在半球形擠壓測試中也發現了同樣的規律，干電池產生的最大作用力達到 7.7kN（變形量達到 4mm 后失效），而有電解液的普通電池最大作用力僅為 5.2kN（變形量為 3mm 后失效），這項測試表明電池中的電解液實際上會對鋰離子電池擠壓測試結果產生顯著的影響，聚合物隔膜在經過電解液浸泡后會發生軟化，因此會比干燥狀態下更早的失效。從BrandyDixon 的測試結果來看采用干燥電池得到的擠壓測試結果會比電池的實際狀態更大一些，因此干燥電池的擠壓實驗測試得到的結果并不能完全代表鋰離子電池的實際使用情況。

2.擠壓位置對測試結果的影響
由于鋰離子電池在發生事故擠壓變形的過程可能在鋰離子電池不同的位置，而我們進行擠壓測試時通常會選擇將電池的中央位置作為測試位置，那么擠壓測試結果能夠表征鋰離子電池在實際使用中的所有情況呢？對此，BrandyDixon 通過在干燥鋰離子電池的不同位置進行擠壓測試，分析了擠壓的位置對于測試結果的影響。BrandyDixon 選擇了四個位置進行測試，其中第一個位置為電池的中央，距離鋰離子電池長邊約65mm，第二個位置距離長邊約 30mm，第三個位置距離鋰離子電池的長邊約 10mm，第四個和第五個點都位于鋰離子電池的邊緣位置，其中第五個點的中心位置位于鋰離子電池的邊緣上。下圖 a 為測試結果，從結果來看除非擠壓位置位于鋰離子電池的邊緣上，否則擠壓測試的位置對測試結果基本上沒有影響，也就是我們在擠壓測試的時候可以選擇除了邊緣的任何位置。

3.擠壓速度對于測試結果的影響
在鋰離子電池的實際使用中往往會面臨不同的擠壓速率的考驗，那么擠壓速度是否會對測試結果產生顯著的影響呢？為此BrandyDixon 采用 0.2mm/min 到 20mm/min 的速度進行了擠壓測試，測試結果如下圖 c 所示，從圖中能夠看到擠壓速度會對擠壓測試的最大作用力產生明顯的影響，例如在20mm/min 的速度下，最大作用力為 8.4kN，而在0.2mm/mm 的速度下最大作用力僅為 7.3kN，但是如果擠壓速度在一個數量級上，例如 10mm/min 和 20mm/min，1mm/min 和 2mm/min 就會得到相同的測試結果。

4.擠壓測試的重復性
擠壓測試作為一種破壞性的試驗，只能通過抽樣的方式來進行試驗，因此測試電池得到的試驗結果是否具有可重復性，能夠多大程度上代表其他同批次電池就成為一個重要的問題。為了驗證擠壓測試的試驗結果是否具有可重復性，BrandyDixon采用直徑分別為 12.6mm、28mm 和 44mm 的半球形擠壓頭對鋰離子電池進行了擠壓測試，結果如下圖 c 所示。從測試結果來看，不同直徑的擠壓測試頭在多次擠壓測試中得到的曲線高度重合，僅僅是在最大作用力上有輕微的差別，這表明擠壓測試的重復性非常好，能夠僅僅通過測量少量的鋰離子電池表征同批次電池的安全性。
擠壓測試是動力電池非常重要的安全測試，BrandyDixon 的研究為我們指明了哪些因素會對擠壓測試的結果產生顯著的影響，需要我們進行嚴格的控制，而那些因素對于最終測試結果的影響不大，可以適當的放寬限制。同時 BrandyDixon 的研究也表明了擠壓測試具有非常好的可重復性，因此我們能夠通過對少量電池進行擠壓測試，而表征同批次的電池的安全性。


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| 發布時間：2018.07.20    來源：電源適配器廠家
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