天津力神-动力电池电芯安全

60
-40
90
25
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85
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110
25
70
（4）测试要求：不起火、不爆炸。
累计时间, min 0 60 150 210 300 410 480
温度变化率, ℃/min 0
13/12 0
13/12 2/3 0 6/7
04 电芯使用安全
（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。
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。
02 电芯制造
2.0 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。
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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 OCV IR
03 电芯安全评价
3.1 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。
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
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。
3.4 挤压
（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。
1.3电极设计
1.4 极组设计
极组设计
极片wenku.baidu.com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。
对短路方式 通路过薄模易分弱拟短析区，路，域找区对进出域短行 绝缘保护。
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。
对极组各方向 进行公差分析， 确保合适的入 壳比，避免挫 伤。
• 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
制浆
涂覆
碾压
分切
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
2.2 电极制造
卷绕
装配
注液
化成
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
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。
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。
硬壳及软包电池
圆柱形电池
加热装置 加热装置(电阻丝) 温度监测器
3.7 温度循环
（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
温度, ℃
时间增量, min
25
0
-40
负极与电解 液副反应及 产热量变化
极组变形和极 组压力变化
电池内 部短路
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、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。
3.2 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。
安
全
3、好的热稳定性。控制隔膜的热收缩率。
性
4、具备自动关断孔隙的保护能力。
能
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。
1.2.4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。
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。
3.3 短路
（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10 min，外部线路电阻小于5mΩ，观察1h。 （4）测试要求：不起火、不爆炸
《电动汽车安全指南（2019版）》宣贯会
动力电池电芯安全
天津力神：丁照石 2020年6月12日
目录
1 电芯设计 2 电芯制造 3 电芯安全评价 4 电芯使用安全
01 电芯设计
1.1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。
钴酸锂
锰酸锂
三元
磷酸铁锂
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。