鋰離子動力電池泄壓閥設計及測試

殷久山　呂　巖　張要軍

（中航鋰電（洛陽）有限公司，河南　洛陽　471000）

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鋰離子動力電池泄壓閥設計及測試

殷久山呂巖張要軍

（中航鋰電（洛陽）有限公司，河南洛陽471000）

摘要：鋰離子電池在使用時，電池內部難免會產生氣體，導致電池內部壓力增大，其后果使電池殼體鼓脹、漏液甚至爆炸等嚴重問題。所以，電池內部一旦產生氣體就必須立刻排出。因此，鋰離子電池在制造過程中均需要安裝泄壓閥以排出內部過高的壓力。基于此，通過對不同結構安全閥進行一系列的測試，分析對比出具有微孔片和橡膠帽密封結構的安全閥性能更加可靠。

關鍵詞：鋰離子動力電池；安全性；安全閥

鋰離子電池在使用時如果出現短路、過充時容易在電池內部出現大量熱量積聚，從而造成電池內部壓力升高發生爆炸，因此鋰離子電池在制造過程中均需要安裝泄壓閥以排出內部過高的壓力。

鋰電池安全閥是一種單向閥，只允許電池里的多余氣體排出，不允許電池外面氣體進入。且電池在短路、針刺、過充等情況時安全閥能夠及時泄壓，保證電池不發生爆炸［1］。

1　氣體產生的機理

①電池在化成時產生氣體的主要原因是電解液和電極表面在初次放電時形成了SEI層，電解液溶劑體系發生了分解，產生烴類氣體。

②電池在儲存階段產生氣體是：①化成首圈形成的SEI層被破壞，為了修復SEI層，之后又釋放出氣體，主要以烴類氣體為主；②由于電池密封性能不好，外界的水分及空氣的滲入，導致氣體中CO2，O2及N2等的百分含量相對于化成時大大增加。

2　安全閥的設計

2.1橡膠帽、微孔濾液片式安全閥

這種閥采用橡膠帽密封，控制開閉壓，微孔濾液片進行氣液分離，能夠確保安全閥在排氣時帶出電解液。電池正常工作時，安全閥處于關閉密封狀態，如電池內部壓力大于設定值時，安全閥將立即開啟泄壓，電池內部壓力小于設定值時安全閥將關閉密封；電池在非正常工作時，如電池遭到擠壓、穿透等異常情況造成電池短路時，電池內部壓力急劇增加，安全閥閥芯結構瞬間彈出，迅速釋放壓力，避免電池爆炸［2］。

2.2金屬彈簧式安全閥

這種金屬彈簧式排氣閥適用于與標準大氣壓有一定壓差環境下的電池，密封片金屬片上注塑橡膠材料，密封片壓住閥口進行密封，在排氣時易把氣霧帶出。其工作原理是利用壓簧受壓力變化來調整排氣的通斷，用以控制電池內的氣體壓力［3］。

3　兩種安全閥性能對比測試

對兩種安全閥進行開閉壓測試、通氣流量測試、吸氣性測試、開閉閥壽命測試、耐高低溫性能測試和耐酸性能測試。測試中將橡膠帽、微孔濾液片式安全閥設為“1號閥”，金屬彈簧式安全閥設為“2號閥”。

3.1開閉閥壓力測試

3.1.1開閥壓力測試方法。將測試樣品裝入測試裝置并浸入水中（水溫20℃），液面至安全閥頂部的距離不超過5cm。打開送氣開關，要求送氣壓力每秒上升2.5kPa以下，閥門第一次開啟（開始冒氣泡）后，排空腔內氣體。間隔2min后再重新送氣，當第二次開啟（開始冒氣泡），此時壓力表讀數即為安全閥開閥壓力。

3.1.2閉閥壓力測試方法。測完第二次開閥壓力后停止送氣，讓安全閥自主將氣體排出，直到停止排氣（停止排氣的判定，持續1min不冒氣泡）時，此時壓力表讀數即為安全閥閉閥壓力。

3.1.3測試結果。1號閥設計開閉壓力25～35kPa（見表1），2號閥設計開啟壓力位60±20kPa（見表2）。

由以上兩組數據可看出，1號閥開閉壓力比較均勻一致，而2號閥開啟壓力精度較差，并且關閉壓力很小，說明其氣密性較差，存在進氣導致電池鼓脹等危險。

表1　1號閥設計開閉壓力

表2　2號閥設計開啟壓力

3.2通氣流量測試

開閥壓力測試方法，常溫情況下按圖示檢測安全閥開閥時的通氣流量；電池內部氣壓達到安全閥開啟壓力時，測試安全閥的通氣量。通氣量越大，證明泄壓能力越強。1號閥的通氣量情況見表3，2號閥的通氣量情況見表4。

表3　1號閥的通氣量

表4　2號閥的通氣量

從表3和表4中的數據可以看出，開啟壓力越大其通氣流量越小。而2號安全閥的通氣量隨壓力的增大變化很小，在100kPa壓力下通氣量較小，而且通氣量一致性較差，說明在正常情況下現有安全的排氣能力較差。而1號安全閥排氣能力強、一致性高。

4　結語

通過對比測試，具有微孔片和橡膠帽密封結構的安全閥性能更加可靠，其開閉壓力控制精度高，通氣量大；而傳統的安全閥則存在開閉壓控制精度較差、通氣量小的弊端，易導致外部氣體進入電池內部從而引起電池鼓掌，漏液等風險［4］。由此可見，具有微孔片和橡膠帽密封結構的安全閥是鋰離子動力電池泄壓閥的理想選擇。

參考文獻：

［1］馮祥明，鄭金云，李榮富，等.鋰離子電池過充短路添加劑研究［J］.電源技術，2008（9）：603-605.

［2］許寶忠，劉鐵根，王萌，等.鋰離子電池安全閥激光掃描焊接［J］.電源技術，2010，34（8）：812-814.

［3］陳益奎，張世杰，史鵬飛，等.聚合物鋰離子蓄電池化成氣體自動消失現象［J］.電源技術，2006，30（12）：964-967.

［4］黃麗，金明鋼，蔡惠群，等.聚合物鋰離子電池不同化成電壓下產生氣體的研究［J］.電化學，2003，9（4）：387-392.

中圖分類號：TM912

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5168（2016）01-0090-02

收稿日期：2015-12-18

作者簡介：殷久山（1986-），男，本科，初級工程師，鋰電池研發工程師，研究方向：鋰電池研發。

The Design and Test of Decompression Valve of the Li-lion Power Battery

Yin JiushanLv YanZhang Yaojun
（Air Lithium(Luoyang)Co.Ltd.,Luoyang Henan 471000）

Abstract:With using Li-lion battery,the gas was inevitable,which leads the inner pressure of battery to magnify, and then the battery shell expansion,liquid leak even explode and so on.So the gas from the inner must be vent as soon as possible.In the manufacturing Li-lion battery,the decompression valve must be installed in order to release the inner excess pressure.A series of testing Valve of different structures was studied,the valve with the sealing struc?ture of micropore and rubber cap is more reliable.

Keywords:Li-lion power battery；safety；safety valve