32650-5Ah圆柱型动力电池安全性分析

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。最近,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A123,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。目前磷酸铁锂电池行业的标杆企业,美国A123的主打产品为18650/26650/32113三种型号的圆柱型电池,单体容量分别为2.5Ah-5Ah。

   表1 圆柱型 方型电池性能对比  

 

1 圆柱型电池结构

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。

3 圆柱型电池组合结构

     

                       

4 圆柱电池组合盖帽结构图

   4.成组一致性对比
   众所周知,单体电池的一致性对电池组的寿命、安全性等各个方面指标具有较大的影响。大方型电池生产工艺的复杂性决定了目前单体电池的一致性较差。在成组后电池的一致性问题直接对安全性造成影响。因为容量少,内阻高的电池更多的面临过充过放带来的风险。圆柱电池生产工艺成熟,电池一致性较高。在电池组合后,低容量电池出现的几率较低。即使出现低容量电池,由于多个并联,通过自均衡的方式最大程度上消除了不一致的影响。
   5.圆柱电池安全测试
   为了验证圆柱电池的安全性,对圆柱单体电池及电池组进行了安全测试。图 5为圆柱型电池组针刺实验照片。当钢钉穿透电池时,电池内电解液泄露,电池表面温度急剧升高,电压缓慢下降,电解液汽化冒出少量白烟,包裹电池用的绝缘塑料胶套被高温熔化,过程持续大约10min后现象消失,最终短路电池电压降为零,过程最高温度上升到141℃。电池不爆炸,不燃烧。完全符合UL2580(及SAE J2464)标准。图 6为圆柱型电池组撞击测试前后的照片。电池组在遭到重物撞击后,电池明显受损,但电池无起火、无漏液、无冒烟或爆炸,电池电压基本无变化。符合UL 1642标准。表2 为电池组进行的安全测试项目。从实测结果看,圆柱型电池表现出良好的安全性能。图 7为更为苛刻的焚烧测试过程照片。从实测结果看,电池的防爆片开启的电池表面温度在240℃左右,电池释放出气体,电解液局部燃烧,不出现爆炸现象。火焰熄灭后电池壳体结构也并未遭到破坏。根据UL 1642要求“实验过程中单体电池的全部和部分不应该穿透钢丝网”, 从实验结果标明安全性达到UL标准。
   目前小型圆柱电池已经大量应用于电动汽车中,为了验证电池在汽车事故中的安全性,对整车进行了碰撞测试。碰撞标准按C-NCAP 进行。对该车分别进行时速50公里与刚性固定障碍100%重叠率正面碰撞,时速56公里对可变形障碍40%重叠率的正面偏置碰撞,可变形移动障碍时速50公里与车辆的侧面碰撞。图 8为整车碰撞后的照片。从碰撞后车辆取下电池进行检测,电池组基本完好,无冒烟,无燃烧。整车碰撞实验验证了小型圆柱电池应用于电动汽车的安全优势。

5 电池组针刺实验

6 圆柱型电池组撞击测试

   电池在常温下以3A(0.6C)充满至280V(78串),静置30min后用10kg重量从1m高处自由落下撞击到电池上。(a)测试前;(b)测试后。

2 沃特玛电池组2505E(250V,5Ah)安全测试结果


7 圆柱型电池焚烧测试

     

8 沃特玛电池在整车碰撞测试中表现。(a)碰撞后汽车;(b)碰撞后电池组

结论
   32650-5Ah圆柱型磷酸铁锂电池,在应用于电动汽车等动力应用领域具有较高的安全特性。这是由于单体电池容量小,结构设计合理,组合结构安全等因素决定的。该型磷酸铁锂动力电池通过串并联组合的形式应用于动力领域是未来的发展方向。(以上数据由沃特玛电池有限公司提供)


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