天津力神-动力电池电芯安全

动力电池电芯安全天津力神：丁照石2020年6月12日《电动汽车安全指南（2019版）》宣贯会电芯设计电芯制造电芯安全评价目录132电芯使用安全4电芯设计011.1电池单体分类根据外型，动力锂离子电池分为圆型电池、方型电池和软包电池。根据使用的正极活性物质不同，分为磷酸铁锂电池、锰酸锂电池、钴酸锂电池、三元电池等。圆型方型软包1.2.1锂离子电池关键原材料-正极材料目前商品化的正极材料有钴酸锂、锰酸锂、三元材料（NCM和NCA）和磷酸铁锂。重点关注正极材料中的水分含量、粒度分布、颗粒形貌、结晶形状、金属杂质和磁性物质含量。材料推荐：商用车推荐使用磷酸铁锂和锰酸锂正极材料体系，乘用车推荐使用磷酸铁锂、锰酸锂和三元材料正极体系。钴酸锂锰酸锂磷酸铁锂三元1.2.2锂离子电池关键原材料-负极材料目前商业化锂离子电池负极材料主要是人造石墨、天然石墨、钛酸锂负极和硅碳复合石墨材料。重点关注负极材料杂质含量、比表面、粒度分布、颗粒形貌。材料中的磁性物质含量控制在50ppb以下。电池设计时应重点关注负极材料的比表面积和膨胀率。负极材料比表面积膨胀率极组变形和极组压力变化负极与电解液副反应及产热量变化电池内部短路安全性能1、对于聚烯烃类隔膜，要具备高绝缘性，可耐受250V以上高压绝缘测试。2、足够的力学性能。优先选用穿刺强度高的隔膜。3、好的热稳定性。控制隔膜的热收缩率。4、具备自动关断孔隙的保护能力。5、隔膜厚度与电池安全强相关。6、涂覆隔膜具有优良的热稳定性和抗氧化能力，对单体电池安全有益。1.2.3锂离子电池关键原材料-隔膜材料隔膜的主要作用：1、电池的正负极分隔开，防止两极接触而短路。2、存储电解液，并隔绝电子，导通离子。1、电化学工作窗口宽，组分有良好的稳定性。2、抗氧化和还原能力强。3、与电极材料的相容性好，能快速使极片完全浸润，并形成稳定的SEI钝化摸。4、在不同的温度范围内具有较高的电导率。5、合适的正负极成膜、防过充添加剂。6、电解液添加剂可以有效改善电池单体的电性能和安全性能。1.2.4锂离子电池关键原材料-电解液材料电解液由电解质和溶剂两部分组成，主要作用是在正负极间传输锂离子。采用六氟磷酸锂为电解质，碳酸酯为溶剂的锂离子电解液在电池安全中有助燃作用，开发热稳定性高新型锂盐、阻燃溶剂、固态电解质，可以大幅度提高电池单体安全特性。1.2.5锂离子电池关键原材料-壳盖•圆型电池和方型电池一般使用镀镍钢和铝材，具备良好的密封性可考虑设置有效的安全保护装置，具备如断电、熔断、泄压功能。熔断电流、触发压力等参数要经过严格的实验设计和优化验证，既要保障电池在滥用条件下及时开启又要保证振动冲击条件下的可靠性和安全性。需要考虑密封圈的耐高温、耐电解液腐蚀、耐老化。•软包电池使用铝塑多层膜做包装材料，通过热封的方式形成电池单体的壳体，在电池单体全生命周期内保证密封性的同时，电池单体内部压力增大时可从封装处泄压。铝塑多层膜材质、厚度、封装条件对电池单体密封性和安全性影响较大。1.3电极设计散热设计：电池单体结构设计要模拟分析电池内部发热量分布、热扩散路径和传递速度，验证优化散热设计。1.4极组设计对短路方式模拟，找出易短路区域极组设计极片包覆短路分析极耳设计入壳比确保隔膜对负极、负极对正极的覆盖。考虑过流能力及焊接状态。注意对焊斑及折弯位置进行保护，避免与壳体或极片发生短路。通过分析，对短路薄弱区域进行绝缘保护。对极组各方向进行公差分析，确保合适的入壳比，避免挫伤。电芯制造022.0电池单体制造环境要求•锂离子电池单体生产过程温度、湿度环境条件必须确定并得到保证。对于超出温度、湿度极限值的情况，应当制定适当的应对方案。锂离子电池对水分非常敏感，电极车间相对湿度应控制在20%以下，装配车间注液工序应控制在1%以下。•生产过程粉尘度必须控制。需要防止外来的颗粒物渗透到任何生产区域。生产系统需要防止金属磨损，如果不能防止金属磨损，应采取适当措施保证这些磨损产生的颗粒不进入生产过程。•应对定期检测到的粒子进行常规分析，以确定粒子的数量、大小和组成，特别是在导电性(如金属粒子)方面。颗粒数量、大小、成分超出规格要求应立即采取纠正措施。粉尘度应控制在10万级以下，部分关键工序应在1万级以下。2.1电极制造金属异物管控浆料均一性浆料稳定性异物管控面密度粘结力NMP浓度尺寸控制异物管控压实密度异物管控毛刺激光熔珠制浆涂覆碾压分切2.2电极制造金属异物管控切断处毛刺切断处极粉正负极片对齐度异物管控超声焊金属异物控制激光焊焊渣控制极耳弯折控制Mylar及入库圆形滚槽镀层脱落控制环境管控电池水分控制注液量静置温度和时间化成电流化成温度化成SOC容量OCVIR卷绕装配注液化成电芯安全评价033.1过充（1）测试目的：由于充电桩、BMS监控或电网不稳定等故障，造成电池过充。电池过充时，由于锂离子过度脱出造成正极材料结构不稳定，负极表面有金属锂析出。随着过充电压的升高，负极表面的锂枝晶会不断增长，电池内部发生短路，引发电池单体安全失效。（2）测试对象：单体电池。（3）评价方法：将满电状态的电池单体以制造商规定且不小于1I3（1/3C）的电流恒流充电至制造商规定的充电终止电压的1.1倍或115%SOC后，停止充电，观察1h。（4）测试要求：不起火、不爆炸。3.2过放（1）测试目的：在电池使用过程中，由于BMS失控、在电池低SOC状态，汽车长期停驶且BMS功耗过大等造成电池过放。电池过放可能导致负极集流体溶解、正极析铜，从而引起电池内部短路等安全问题。（2）测试对象：单体电池。（3）评价方法：将满电状态的电池单体以1I1（1C）放电90min，观察1h。（4）测试要求：不起火、不爆炸。（1）测试目的：电池在使用过程中由于正、负极短接造成电池短路；由于动力电池单体都容量较大、内阻很小。电池被短路后，短路电流都会很大，从而引起电池急剧放热温度升高，导致电池单体安全失效。（2）测试对象：单体电池（3）评价方法：将满电状态的电池单体正、负极经外部短路10min，外部线路电阻小于5mΩ，观察1h。（4）测试要求：不起火、不爆炸3.3短路（1）测试目的：挤压测试主要是模拟电池在机械滥用或发生交通事故时，电池遭受一定的外部压力挤压变形时，电池能够安全，不起火、不爆炸。（2）测试对象：单体电池。（3）评价方法：将满电状态的电池单体用半径75mm的半圆柱体以100KN的力，以不大于2mm/s的速度垂直挤压电池极板方向至电压为0或者形变15%，观察1h。（4）测试要求：不起火、不爆炸。3.4挤压3.5热稳定性（1）测试目的：加热测试主要模拟电池在高温等恶劣环境中的应用，不能出现安全问题。（2）测试对象：单体电池。（3）评价方法：将满电状态的电池单体放置在高温防爆箱中，温度箱按照5±2℃/min的速率由试验环境温度升至130℃±2℃，并保持此温度30min后停止加热，观察1h。（4）测试要求：不起火、不爆炸。3.1电池单体热失控（1）测试目的：判定电池在热失控的情况下是否有起火爆炸的可能，了解电池的危险性，测试电池发生热失控后能否给驾乘人员足够多的逃生时间（2）测试对象：单体电池（3）评价方法：通过加热、针刺等方式激发电池内短路，引发电池热失控。当监控点的温升速率dT/dt≥1℃/s，且持续3s以上时，可以认为电池发生了热失控。（4）测试要求：热失控发生起火爆炸时，电池单体上的安全保护装置应启动。泄压和喷火的方向应进行设计，喷泻出来的物质量应控制，喷出的气体温度、体积、成分要研究分析。热失控发生起火爆炸时，电池单体上的安全保护装置应启动。泄压和喷火的方向应进行设计，喷泻出来的物质量应控制，喷出的气体温度、体积、成分要研究分析。加热装置加热装置(电阻丝)温度监测器硬壳及软包电池圆柱形电池（1）测试目的：温度循环主要模拟电池在高低温反复变化的恶劣环境中应用时，不能出现安全问题。（2）测试对象：单体电池。（3）评价方法：满电状态的电池单体按照下表进行测试，循环5次（4）测试要求：不起火、不爆炸。温度,℃时间增量,min累计时间,min温度变化率,℃/min25000-40606013/12-40901500256021013/1285903002/385110410025704806/73.7温度循环电芯使用安全04（1）锂离子电池具有最佳的使用温度范围，超过使用范围易发生安全问题。高温度使用，副反应加剧，易引发热失控安全问题，低温充电负极易发生析锂问题。超过45℃和0℃以下应控制充放电策略，如降低倍率，保证电池在安全窗口内工作。针对某一单体电池产品，电池单体制造商应该提供温度-倍率-充电电压关系图，根据电池单体规格书设计系统充电策略。（2）锂离子电池在高温下长期存储，性能衰减严重，应避免。长期存放的电池，再次使用不建议直接采用快速充电的方式。（3）锂离子电池充电速度和使用寿命强相关，在条件允许的情况下，减少快充的使用，尽可能选择小倍率充电。（4）禁止非专业人员拆解电芯。谢谢聆听