32650-5Ah圆柱型动力电池安全性分析20141008

32650-5Ah圆柱型动力电池安全性分析

作者：深圳市沃特玛电池有限公司何有奇2014.10.8

汽车作为日常出行的工具已经有近300 年的历史，人们已经离不开汽车。然而随着石油危机的临近，传统

的燃油汽车面临着无油可用的危机。新能源汽车，尤其是电动汽车将承担起历史的使命。然而接连出现的安全

事故给新能源汽车的发展蒙上了阴影。2011 年 4 月汽车发生自燃事故。同年7 月汽车发生燃烧事故。2012年，

深圳电动出租车被撞燃烧引发人员伤亡。这唤起了人们对动力锂电池的质疑。新能源汽车，尤其是锂离子电池驱

动的纯电动车还要不要发展？

因此深圳沃特玛电池有限公司传来消息，动力锂离子电池通常来说是指能够通过大电流放电给设备、器械、

车辆等提供动力的锂离子电池。动力锂离子电池具有比能量高、大电流充放电、循环寿命长等特点，已经获得

广泛应用。动力锂离子电池根据正极材料的不同分为三元、钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂等类型；根据外形的不

同分为方型电池（prismatic），圆柱型电池（cylindrical）等。为提高续航里程，动力锂离子电池通过串并联组合

后的能量一般较大，容量从几安时到几百安时不等，电压从十几伏到几百伏不等。随着携带能量的提高，电池潜在

危险性也随之增大。因此如何提高动力电池的安全性成为电动汽车持续发展的重要前提。在动力锂电池的发展过程中，一直存在着两个发展方向。一个方向是大单体电池，通过少量并联组合；一个方向是小单体电池，通过大量并联组合。韩国LG，国内BYD 为代表的企业走的是大方型路线；美国特斯拉，国内沃特玛为代表的企业走的是小型圆柱路线。这两条路线目前没有定论，不同的动力电池厂家依据自己的理解选择不同的工艺路线。但是在面对安全性这一指标方面，两种工艺路线的结果差别是非常大的。本文从动力电池结构、性能方面，特别是安全性方面进行对比分析，来阐述小型圆柱电池在应用于电动汽车等方面的安全优势。

电池结构、性能对比分析

圆柱形电池和方型电池是目前业界两大主流方向。圆柱型电池的基本结构如图 1 所示。正负极之间由隔膜

分开，通过卷绕形成卷芯。通常正负极极片焊接有正负极极耳并分别通过两侧引出。极耳焊接于正极和负极外

壳。电解液加注于壳体内。图 2 为方型电池结构。方型电池的结构分叠片结构和卷绕结构。叠片式方型锂离子

电池由n 片正极片和n+1 片负极片叠片组成电池芯胞，正负极片之间用隔膜隔开，分别在正、负极片的一侧预

留有正、负极耳区，叠成芯胞时正、负极耳分别从芯胞两侧对称伸出。方型电池的卷绕结构和圆柱型电池的卷

绕结构类似，其区别是卷心是扁平形状而非圆柱型。由于圆柱型电池和方型电池形状的不同，结构差别较大。

一般情况下，圆柱型电池由于卷芯电流密度和散热的限制，容量不能做得太大。方型电池保证厚度适当的前提

下，通过增大长、宽可以提高容量。其单体容量一般可以超过圆柱型电池的10 倍以上。表 1 为圆柱型和方型

电池的性能对比。可以看出两种电池具有各自的特色。圆柱形电池结构设计简单，正负极界面紧密，生产线成

熟，成本低，成组散热好，安全性能优秀。其缺点是内阻相对较高，成组要求高。方型电池的优势是单体容量

大组合简单。其缺点是生产工艺复杂，大容量电池单体一致性难控制。另外，方型壳体容易产生应力集中，壳

体容易破裂，电解液溅出引发安全隐患。

从全球应用市场来看，大容量方型电池和小容量圆柱型电池在动力领域都有应用。目前电动汽车行业的标

杆企业，美国特斯拉的电池产品为18650型号的圆柱型电池，单体容量为3Ah左右。

表 1 圆柱型方型电池性能对比

图 1 圆柱型电池结构图 2 方型电池结构

安全性对比分析

1.在极端情况下的安全性对比

动力电池在车辆发生严重事故等极端条件下的安全性是人们最为关心的问题，因为这直接关系到生命财产安全。圆柱电池容量小，通过串并组合达到动力电池组的容量、电压的要求。以目前32650 电池为例，电池容量只有5Ah。而大方型电池单体容量一般都超过几十安时，有的达到100Ah 以上。在电池出现碰撞、挤压等极端危险情况下，圆柱型小电池其释放的能量要远远小于大方型电池单体。目前沃特玛5Ah 电池的电解液只有20 克，而大方型电池，如50Ah 单体，其电解液量要超过200 克。该方型单体电池的电解液量是小型圆柱电池的10 倍以上。一旦在事故中某个单体电芯出现漏液，则因电解液泄漏而引起的燃烧程度也会是小型圆柱电池的10 倍以上。从这方面来讲，小型圆柱电池的安全性比大电池要好很多。当小型圆柱电池遭到破坏，其燃烧的威力要远远小于大的方型电池。通过对单个电池的分离保护，某一单体电池出现问题，不会波及其他电池。通过将能量分散的方式，使电池的安全

性极大提高。

在承受撞击方面，圆柱型电池和方型电池表现差别较大。圆柱型电池相对于方型电池具有较好的抗形变能力，各个方向上受力均匀，形变保持能力是目前所有电芯工艺中最优秀的，配合自主研发的安全组合盖帽，安全性得到了极大的提高。即使在高速冲撞挤压过程中，圆

柱形电芯有一定的变形，但也不会起火燃烧。对于方型电池，面积较大的一面容易形变，在

高速冲撞挤压过程中，电芯外壳不能很好的保证电芯内部结构，很容易导致内部正负极片的

错位短路；对于这种瞬间的冲击，方型电芯无法迅速做出反应。

另外，对于大的方型电芯，由于其侧面面积较大，承受到其他物体撞击的概率要高得多，因此在安全事故中，单体电芯被撞坏而造成短路的可能性要比小的圆柱电芯大很多。而对于

小型圆柱电池组合，一旦电池箱受到猛烈撞击，小型圆柱电池首先断开的地方可能是各个单

体电芯的铆接点，而由于电芯体积较小，较大的可能性是被撞散，电池组失效。这对提高动

力电池组的安全性具有重大意义。因此采用小容量的圆柱型电池组合的电池组在车辆出现事

故时，能够提供更长的逃生时间。根据沃特玛的测试，电池在烈火中焚烧，电解液喷出引发

剧烈燃烧的时间在10 分钟后。

2.散热方面的对比

在单体散热方面，由于圆柱型电池和方型电池的形状不同，散热效果表现差别较大。以50Ah 方型电池为例，其表面积容量比大约在1x10-3 m2/Ah; 而32650-5Ah 圆柱电池的表面积容量比约为 1.6x10-3 m2/Ah; 相比之下大了60%。在外界条件完全相同的情况下，圆柱型小电池在散热方面具有天然的优势。

圆柱型电池在组合时，电池之间有纵向间隙，这为电池的散热提供天然的散热途径。理论上散热截面积至少在15.9%（紧密排列）和21.9%（立方排列）。图 3 为沃特玛圆柱电池的组合结构实物图，可以看出组合后具有良好的散热通道。圆柱电池组合的天然的散热通道

保证了电池的散热效果，提高了电芯安全性。

3.安全机制对比

两种电池结构都具有防爆安全阀。方型电池的安全阀一般位于端侧，阀面积要大于圆柱电池的安全阀。但是如果考虑到电池的容量，即单位容量的阀面积，方型电池要远远小于圆

柱电池。一旦电池出现失效情况，特别是极端的撞击情况，方型电池安全阀的有效性要落后

于小型圆柱电池。圆柱电池组合盖帽兼具防爆安全阀和电流切断装置CID (Current

Interrupt Device)，如图4 所示。这一点在方型电池上很少应用。当出现外部短路或当电

池内压达到 1.2MPa 安全警戒值时，首先CID 装置启动，正负极之间断开，主动切断电流自行保护，电池内部回路断开；当电池内压到 1.8MPa 安全警戒值时，泄压构件安全阀会打开，气体排出，避免爆炸风险。目前，安全型组合盖帽工艺成熟，使圆柱型电芯的安全性得到了

很好的保证。