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锂电池电芯的安全阀和排气

电源技术 | 发布时间:2018-07-12 | 人气: | #评论# | 本文关键字:锂电池,电芯,CATL
摘要:锂电池方形电池在使用时如果出现滥用过程中,容易在电池内部出现大量热量积聚,从而造成电池内部压力升高发生爆炸,因此在方形电池的盖板上需要安装泄压阀以排出内部过高的压力。这

锂电池方形电池在使用时如果出现滥用过程中,容易在电池内部出现大量热量积聚,从而造成电池内部压力升高发生爆炸,因此在方形电池的盖板上需要安装泄压阀以排出内部过高的压力。这是一种单向阀,只允许电池里的多余气体排出,不允许电池外面气体进入。原本按照这么多年方壳电芯的发展,技术层面已经比较稳定了,但是如我们前文所谈的,电芯尺寸在厚度和宽度上的变化,使得这个设计还是一直在延展的。

1) SDI的泄压阀设计

如下图所示,SDI的方壳电芯用的是焊接式的泄压阀设计。我们目前看到现在最多的是这种,不过目前壳体主要是173 mm x 125 mm x 45 mm,厚度在45mm四个卷芯。

SDI的泄压阀

图1 SDI的泄压阀

2)CATL的泄压阀

在参观的时候,看到以下的BMW的X1是一种,后续26.5厚度还有倍数厚度的都是类似SDI的设计。在宽度调整的时候,泄压阀的位置和布置是相似的,但是在厚度45和更高的时候,泄压阀整个布置都不同了。

CATL的泄压阀

图2 CATL的泄压阀

这种焊接式的防爆阀是电池封口板上的薄壁阀体,当电池内部压力超过规定值时,防爆阀阀体破裂,避免电池爆裂。这两家电池厂家的都采用激光焊接牢固的、两个铝质金属片;但当内部压力升高到一定值时,铝片从设计的凹槽位置处破裂。

备注:以下的图是采用薄壁的整合式设计,与上面的也有相似性,本质是突破薄弱环节。设计过程中,需要考虑电芯的长期压力增长过程,如电池遭遇滥用(如电池遭到挤压、穿透等异常情况造成电池短路时,内部压力急剧增加)的时候产生气体的内部压力大于设定值时,安全阀将立即开启泄压,电池内部压力EOL值需要小于设定值时安全阀将关闭密封。

集中式的压力释放过程

图3 集中式的压力释放过程

我觉得问题最为复杂的就是,遭遇热失控过程中的释放过程和这个泄压阀的匹配工作。如之前所谈的,其实多个电芯并联的时候,会出现多种滥用状态,当滥用中局部短路电压变化,外部并联的电芯会对于这个电芯予以更多的电应力以激发这个泄压和熔断的过程。

如果卷芯多了以后,整个过程全部集中于电芯内部,如果阀的设计缺乏足够的灵敏度,在滥用中开阀的时机和相应的喷出电解液的温度也不同,特别是可能在冒烟之后还会进一步起火。比起单个26.5厚的电芯的泄压阀设计,内部进行并联的电芯,设计这个阀的难度还是非常大的。

电芯泄压阀整合性设计的DOE过程和参数考虑

图4 电芯泄压阀整合性设计的DOE过程和参数考虑

部件级别的测试:开闭阀压力测试的破裂压力(kgf /cm2):我们可以测定这个阀的数据,将测试样品装入测试装置并浸入水中,液面至安全阀顶部的距离不超过5em。打开送气开关,要求送气压力每秒上升2.5kPa 以下,阀门第一次开启(开始冒气泡)后,排空腔内气体。 间隔2min后再重新送气,当第二次开启(开始冒气泡), 此时压力表读数即为安全阀开阀压力。实际电芯的泄压的过程测试:如下所示,整个测试构建与之前开阀测试,特别是使用不同的触发的方式带来的效果可能并不相同。

SNL实验室对于18650不同电芯和泄压阀测试的评估

图5 SNL实验室对于18650不同电芯和泄压阀测试的评估

因此在我们做较多的电芯安全测试结果的时候,也需要进一步评估下大容量电芯在遭遇各种不同的引起热失控的特性过程中Venting的特性,以与在模组内进行热隔离设计的结果进行匹配。定向往上喷出的过程,要好过打开并不充分然后在电芯内部反应更为剧烈。如果下一步往能量密度更高,使用相对更容易出问题的正极材料的案子时候。

在后期不同的项目,和电芯革新变化的时候,我们更是需要花更多的力气去测量电芯在不同SOC条件下的在不同失控事件的整体效力。这个是在模组安全评估层面去做的事情。

如我们之前谈的电池系统和车辆层级的排气过程,这其实如下来看是个完整的整体策略。

责任编辑:锂电池电芯

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