锂离子电池内部短路实验方法的比较

作者简介:

魏洪兵(1980-),男,江苏人,中华人民共和国吴江出入境检验检疫局工程师,研究方向:锂离子电池安全检测,本文联系人;宋　杨(1977-),男,江苏人,中华人民共和国吴江出入境检验检疫局副主任,研究方向:电池检测;

王彩娟(1981-),女,江苏人,中华人民共和国吴江出入境检验检疫局工程师,研究方向:电池检测;赵　永(1981-),女,江苏人,中华人民共和国吴江出入境检验检疫局工程师,研究方向:电池检测。

锂离子电池内部短路实验方法的比较

魏洪兵,宋　杨,王彩娟,赵　永

(中华人民共和国吴江出入境检验检疫局,江苏吴江　215200)

摘要:总结了模拟锂离子电池内部短路的实验方法:针刺实验、挤压实验、重物撞击实验、强制内部短路实验、钝针实验、

NASA 方法和棒挤压实验。对各种实验方法的作用机理、模拟内部短路的实验结果进行了分析。

关键词:锂离子电池;　内部短路;　安全性

中图分类号:TM91219 文献标识码:A 文章编号:1001-1579(2009)05-0294-02

The comparison of Li 2ion battery internal short circuit test methods

WEI Hong 2bing ,SON G Yang ,WAN G Cai 2juan ,ZHAO Y ong

(W ujiang Ent ry 2Exit Inspection and Quarantine B ureau of the People ’s Republic of China ,W ujiang ,Jiangsu 215200,China )

Abstract :The test methods to simulate internal short circuit test of Li 2ion battery such as nail test ,crushing test ,impact test ,

forced internal short circuit ,blunt nail test ,NASA method and rod crushing test were summarized 1The action mechanisms of the test methods and test results of the simulation of internal short circuit were analyzed 1

K ey w ords :Li 2ion battery ;　internal short circuit ;　safety

锂离子电池的安全性与许多因素有关,如材料的性能、电池的设计、电池的组装及电池的管理与使用条件等。在评价锂离子电池的安全性能时,内部短路实验是一种有效的方法。电池发生内部短路时,一股极高的电流通过短路位置并产生大量的热,由此可能在电池内部产生热失控现象,甚至起火或爆炸。通过预测性实验和检测方法来评价内部短路性能,是锂离子电池检测的重要方面[1-2]

。

本文作者研究了国际电工委员会(IEC )、美国电气和电子工程师协会(IEEE )、日本电池协会(BAJ )、美国保险商实

验所(UL )和美国国家航空和宇宙航行局(NASA )等组织制定的模拟内部短路检测方法,分析了各方法的优缺点。

1　实验方法

在锂离子电池检测方法中,模拟内部短路的相关方法及标准号或制定机构见表1。

111　针刺实验[3]

针刺实验是将一枚钢针以一定的速率穿过电池。表1　模拟内部短路的实验方法

T able 1　The test methods to simulate internal short circuit

实验方法标准号或制定机构

针刺实验G JB 4477:2002[3]

重物撞击实验

ST/SG/AC 110/11/REV 143813[4]

UL 1642:2007[5]UL 2054:2005[6]

挤压实验IEC 62133:2002[7]UL 1642:2007[5]UL 2054:2005[6]

强制内部短路实验J IS C8714:2007[8]

钝针实验[9]

UL NASA 方法[10]

NASA 棒挤压实验

[9]

UL 2054:2005[6]

112　重物撞击实验[4-

6]

将电池放平,把直径为1518mm 的铁棒横放在电池中心,将质量为911kg 的物体从(61±215)cm 的高度跌落到电池上。

第39卷　第5期2009年 10月电 池

BA TTER Y BIMON THL Y Vol 139,No 15

Oct 1,2009

113　挤压实验[7]

电池在两个平面之间进行挤压。通过一个直径为32 mm(1125英寸)的液压活塞持续挤压,直至压强达到1712 MPa,施加的压力为13kN,当达到最大压力后泄压。

114　强制内部短路实验[8]

在环境温度为(20±5)℃、露点温度≤-25℃的条件下,将充满电的电池单体拆解后,从电池壳内取出卷绕芯。将一个L型(长110mm,宽011mm,高012mm)的金属镍片放置在隔膜的外侧,卷绕芯在最高实验温度和最低实验温度下储存(45±15)min后,进行挤压实验。

115　钝针实验[9]

用一根前端较钝的钢针以一定的速率挤压电池表面,使电池发生内部短路。

116　NASA方法[10]

该方法类似于钝针实验,区别在于挤压棒的前端是绝缘材料,通过超声振动使电池发生内部短路。

117　棒挤压实验[9]

将钝针换成金属棒,通过挤压使电池发生内部短路。

2　方法讨论

C1H1Doh等[11]对LiCoO2锂离子电池进行了针刺和重物撞击实验。针刺实验中,电池在针刺入的前期温度迅速升高到400℃,电压降为0V;随着针刺的深入,温度逐渐降低,电压仍为0V。钢针刺入的位置生成的热量远大于电池表面散出的热量,在局部产生一个热点,出现热失控。钢针刺入的速率也会影响实验结果:速率较快时,电池被迅速短路,现象类似于电池的外部短路,热失控首先出现在电池内部,热量主要由正极材料分解产生;若速率较慢,热失控首先出现在电池外部,热量主要是由较大的电流通过钢针产生,随后又激活了正极材料的分解反应。在重物撞击实验中,撞击后电池的温度上升到150℃,随后逐渐降低。重物撞击在垂直放置于电池表面的铁棒上,电池内部由于受到外力的作用而变形,内部隔膜挤压破裂,导致内部短路,一股较大的放电电流通过电池的正负极。在此过程中,电池发生的是多层内部短路。对方形电池,尤其是比较薄的电池进行实验时,由于重锤的撞击,有可能导致电池断裂成两半,电池内含有电解液的正负极直接暴露在空气中,这时电池内部的短路和其他反应导致电池温度上升。此外,在实验过程中,撞击后的电池释放出的有害气体,对环境的影响较大。

分析针刺实验和重物撞击实验的结果可知,同种型号的电池、同样的荷电状态,得到的结果相差很大,电池发生内部短路的机理是不同的。

挤压实验使电池发生了多层内部短路。内部短路是在电极的局部点形成的;短路不均一地分布在电极表面。电池内部由于过电位的损失而升温,随后激活了负极与电解液之间的反应,进一步引起正极材料的分解,在电池内部产生热失控现象。S1I1Tobishima等[12]在对充满电的电池进行挤压实验时,电池甚至会起火。

强制内部短路实验的优点是能控制内部短路的位置,可得到单层的内部短路情况;缺点是要在特殊的检测装置内进行实验,实验会产生有害的烟雾,样品的制备(包括电芯的拆解、镍片的放置及卷绕芯的重新卷绕)都需要一定的技术。在实验中,镍片的放置位置仅规定在正、负极之间和正极集流体与负极活性材料之间,可模拟电池的单层内部短路,但内部短路不仅仅发生在这两个位置。如果电池的隔膜强度足够大,在挤压过程中,镍片可能先刺穿正极活性材料和隔膜,从而产生正极集流体(铝箔)与负极活性材料的短路。

钝针实验,在实验过程中对电池的形状改变较小,还可以重复实验,但不能精确地控制短路的位置。因为钝针是在外部挤压电池,电池的短路机理很难确定。此外,在控制电池的内部单层短路或多层短路时,需要使用精确的仪器。

NASA方法是将金属屑放置在电池内部,然后将超声波施加于电池上,使电池发生内部短路[10]。该方法产生的内部短路主要受振动参数的影响。

3　小结

通过以上分析可知,各种实验方法对模拟电池内部短路、评价电池安全性都有一定的合理性和必要性。内部短路是最普遍报道的安全问题,对相关机理的理解是很重要的。内部短路机理涉及的参数很广:材料化学、电池的容量、短路的本质和区域及在短路时刻的操作条件。为提高锂离子电池的安全性能,可在深刻理解上述因素的基础上,设计合理的实验方法,模拟内部短路行为。

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收稿日期:2009-05-15

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魏洪兵,等:锂离子电池内部短路实验方法的比较