軟包鋰電池造成短路故障解析，如何改善軟包鋰電池短路設(shè)計(jì)

相對(duì)于其他圓柱形和方形電池，軟包裝鋰電池因尺寸設(shè)計(jì)靈活、能量密度高等優(yōu)勢(shì)，使用越來(lái)越普遍。短路測(cè)試是評(píng)估軟包裝鋰電池的一種有效的方式。這篇文章通過(guò)分析電池短路測(cè)試的失效模型，尋找出影響短路失效的主要因素;通過(guò)開(kāi)展不同條件的實(shí)例驗(yàn)證，分析失效模型，給出了改善軟包裝鋰電池安全性的提議。

軟包裝鋰電池的短路失效通常包括漏液、干裂、起火和爆炸等現(xiàn)象，如下圖所示3所示。漏液和干裂一般發(fā)生在極耳封裝薄弱區(qū)域，測(cè)試后可清晰地看到該處的鋁塑封裝干裂;起火和爆炸是危害性更大的安全生產(chǎn)事故，而起因通常是鋁塑干裂后，電解液在一定條件下發(fā)生劇烈反應(yīng)。因而，相對(duì)于軟包裝鋰電池的短路測(cè)試，鋁塑材料的封裝狀況是導(dǎo)致失效的關(guān)鍵因素。

在短路測(cè)試中，電池的開(kāi)路電壓瞬間降為零，同時(shí)回路內(nèi)通過(guò)大電流并產(chǎn)生焦耳熱。根據(jù)式(3)可知，焦耳熱的大小關(guān)鍵在于電流、電阻和時(shí)間三個(gè)因素。雖然短路電流存在的時(shí)間很短，但是由于電流較大仍然可產(chǎn)生很大的熱量。該部分熱量在短路后的較短的時(shí)間內(nèi)(通常為幾分鐘)慢慢釋放，導(dǎo)致電池溫度的升高(見(jiàn)圖2)。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，焦耳熱主要散失到環(huán)境中，電池溫度也開(kāi)始下降。因而推測(cè)，電池的短路失效一般發(fā)生在短路瞬間及其后較短的時(shí)間內(nèi)。

軟包裝鋰電池在短路測(cè)試時(shí)往往發(fā)生產(chǎn)氣鼓脹的現(xiàn)象，這應(yīng)該是由以下原因?qū)е?。首先是電化學(xué)體系的不穩(wěn)定性，即大電流通過(guò)電極與電解液界面時(shí)造成了電解液的氧化或還原分解，氣體產(chǎn)物充斥在鋁塑封裝內(nèi)。該原因造成的產(chǎn)氣鼓脹在高溫條件下表現(xiàn)得比較明顯，因?yàn)殡娊庖悍纸飧狈磻?yīng)在高溫下更容易出現(xiàn)。除此之外，電解液即使不發(fā)生分解副反應(yīng)，也可能在焦耳熱的作用下發(fā)生部分氣化，特別是對(duì)蒸汽壓低的電解液成分。該原因造成的產(chǎn)氣鼓脹相對(duì)于溫度較為敏感，即電池溫度降至室溫時(shí)鼓脹基本消失不見(jiàn)。然而，不管是哪一種原因造成的產(chǎn)氣，短路時(shí)電池內(nèi)部的氣壓升高均會(huì)加劇鋁塑封裝的干裂，增大失效的概率。

如何改善軟包鋰電池短路設(shè)計(jì)

基于短路失效的過(guò)程與機(jī)理分析，軟包裝鋰電池的安全性可從有以下幾方面開(kāi)展改善：優(yōu)化電化學(xué)體系，降低正、負(fù)極耳電阻，提升鋁塑封裝強(qiáng)度。優(yōu)化電化學(xué)體系可從正負(fù)極活性材料、電極配比和電解液等多個(gè)角度開(kāi)展，從而提高電池對(duì)瞬時(shí)大電流和短時(shí)高熱量的承受能力。降低極耳電阻可以減少該處的焦耳熱產(chǎn)生及累積，大幅度降低對(duì)封裝薄弱區(qū)域的熱量沖擊。提升鋁塑封裝強(qiáng)度可以通過(guò)優(yōu)化電池制造過(guò)程中的參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，大幅度降低發(fā)生干裂、起火和爆炸等