方形電池典型問題和應(yīng)對(duì)

1)側(cè)面鼓脹問題

鋰離子電池在充放電過程中電池的內(nèi)部存在一定的壓力(經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)0.3～0.6MPa)，在相同的壓力下，受力面積越大，電池殼壁的變形越嚴(yán)重。引起電池膨脹的重要原因：化成時(shí)形成SEI的過程中產(chǎn)生氣體，電池內(nèi)氣壓升高，由于方形電池平面結(jié)構(gòu)耐壓能力差，因此造成殼體變形;充電時(shí)電極材料晶格參數(shù)發(fā)生變化，造成電極膨脹，電極膨脹力作用于殼體，造成電池殼體變形;高溫貯存時(shí)，少量電液分解及由于溫度效應(yīng)氣

體壓力增大，造成電池殼體變形。在以上三個(gè)原因中電極膨脹而引起的殼體膨脹是最主要原因。

方形電池的鼓脹問題是一個(gè)通病，特別是大容量方形鋰離子電池更為嚴(yán)重，電池鼓脹會(huì)造成電池的內(nèi)阻增加、局部的電液枯竭甚至殼體破裂，嚴(yán)重地影響了電池的安全性及循環(huán)壽命。

張超等人給出的方案，利用小結(jié)構(gòu)形式，加強(qiáng)殼體強(qiáng)度;優(yōu)化排列方式兩個(gè)角度，解決方形電池鼓脹問題。

加強(qiáng)殼體強(qiáng)度，把原來的平面殼體設(shè)計(jì)成加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，并以向殼體內(nèi)部打壓的方式，測試殼體加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的效果，按照固定方式的不同(固定長度方向和固定寬度方向)，分別測試。可以明顯觀察到加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的作用。以寬度固定情形為例，在0.3Mpa壓力下，有加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的變形量為3.2mm，而沒有加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的殼體變形量達(dá)到4.1mm，變形量降低了20%以上。

寬度固定條件下打壓：

長度固定條件下打壓：

優(yōu)化模組中電芯排列方式，研究人員對(duì)比了兩種排列型式，如下圖所示，變形量如下面表格所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，排列方式Ⅱ的厚度方向變形量明顯小于排列方式Ⅰ。

2)大型方形電池散熱性能變差

隨著單體體積的增大，電池內(nèi)部發(fā)熱部分距離殼體的距離越來越長，傳導(dǎo)的介質(zhì)、界面越來越多，使得散熱變得困難，并且在單體上，熱量分布不均的問題越來越明顯。

吳偉雄等人進(jìn)行了一項(xiàng)研究，實(shí)驗(yàn)采用3.2V/12Ah的方形鋰離子電池，其基數(shù)如表1所示。電池充放電設(shè)備為新威CT-3001W-50V120ANTF,測試過程中環(huán)境溫度為31℃，散熱方式為空氣冷卻，用溫度巡檢儀記錄電池的溫度變化。實(shí)驗(yàn)步驟：

1)壓充電，用12A電流給電池充電至充電截止電壓3.65V止電流1.8A;

2)擱置，充電后擱置1小時(shí)以使電池穩(wěn)定;

3)恒流放電，以不同的倍率放電至放電截止電壓2V。其中，放電倍率分別按為1C、2C、3C、4C、5C、6C設(shè)定。

如下圖所示，為不同放電倍率下電池表面的溫度變化，可以看到，隨著倍率增加，溫度也越來越高，各放電倍率對(duì)應(yīng)的電池表面最高溫度分別為38.1、48.3、56.7、64.4、72.2、76.9℃。3C倍率放電時(shí)，最高溫度已超過50℃。6C時(shí)溫度達(dá)到了76.9℃且超過50℃的時(shí)間為470s，占到了整個(gè)放電過程的三分之二，這對(duì)于電池安全持續(xù)工作非常不利。

利用相變材料作為導(dǎo)熱介質(zhì)，附著在單體電芯表面，散熱效果得到大幅度改善。

施加導(dǎo)熱材料后的溫升對(duì)比如下圖所示：

另外，也有方案，將導(dǎo)熱材料與水冷相結(jié)合，讓水冷系統(tǒng)把導(dǎo)熱材料吸收過來的熱量傳遞到系統(tǒng)外部去，其形式如下圖所示：

鋰電池系統(tǒng)，對(duì)于防止熱失控問題，最理想的就是能夠直接檢測到每一顆電芯的參數(shù)(最基本的溫度，電壓、電流等)，這樣的話，即使沒有新型物美價(jià)廉功能好的新型傳感器出現(xiàn)，對(duì)熱失控的預(yù)警和處置也都會(huì)成為可能。系統(tǒng)內(nèi)電芯數(shù)量少，這應(yīng)該是方形電池重要的競爭力之一。