高比能軟包裝鋰離子動力電池安全設(shè)計

許科

摘 要 針對高比能鋰離子動力電池面臨的安全挑戰(zhàn)，從技術(shù)研發(fā)角度對單體電芯和電池系統(tǒng)兩個層級進行了安全設(shè)計思路分析。對于單體電芯的安全設(shè)計，從電解液添加劑、電解液配比、正極材料、負極材料、隔膜等多個角度進行了分析。對于電池系統(tǒng)安全設(shè)計，從電源模塊、電氣系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、電池組結(jié)構(gòu)設(shè)計角度進行了分析。

關(guān)鍵詞 鋰離子電池；高比能；軟包裝；安全設(shè)計

中圖分類號 TM912 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）11-0020-02

近年來，鋰離子動力電池技術(shù)不斷提升，成本不斷下降，推進了新能源汽車應(yīng)用量的大幅提升。然而，電動車安全事故的發(fā)生給行業(yè)敲響了警鐘。車輛更高的續(xù)駛里程要求鋰離子動力電池比能量不斷提高，伴隨而來的是更大的安全挑戰(zhàn)。如何解決高比能鋰離子電池的安全問題，成為行業(yè)關(guān)注的焦點。其中，軟包裝鋰離子動力電池具備安全特性高的特點，在高比能鋰離子電池發(fā)展上具備良好的前景。

1 高比能軟包裝鋰離子電池安全設(shè)計

軟包裝鋰離子電池其特有的軟包裝體系，決定了產(chǎn)品的安全特性，在內(nèi)部出現(xiàn)副反應(yīng)大量產(chǎn)氣時鋁塑復(fù)合膜熱封部位會自行破開，將壓力自動釋放，避免安全問題的進一步加劇，具備其特有的安全優(yōu)勢。另外，從以下角度開展設(shè)計，可以進一步提升安全性能。

1.1 電解液設(shè)計優(yōu)化

采用有機含磷化合物添加劑可以改善電池的安全性能，基本原理是阻燃添加劑受熱時，釋放出具有阻燃性能的自由基，該自由基可以捕獲氣相中的氫自由基或氫氧自由基，從而阻止這些自由基的鏈式反應(yīng)，使有機電解液的燃燒無法進行或難以進行，提高鋰離子電池的安全性能。使易燃有機電解液變成難燃或不可燃，降低電池放熱值和電池自熱率，同時也提高電解液自身的熱穩(wěn)定性，改善熱失控而導(dǎo)致的安全問題。

1.2 電解液中添加防過充添加劑

過充是電池最大的安全風險之一，采用氧化還原添加劑可以有效提升電池的抗過充性能。其原理是在鋰電池正常充電時不和電解液的任何組分發(fā)生化學或者電化學反應(yīng)，在電池發(fā)生過充或者充電電壓高于電池正常工作電壓達到添加劑氧化分解電位時，添加劑在正極附近被氧化形成活性分子，活性分子通過隔膜擴散到負極再被還原形成中性分子，中性分子再擴散到正極被氧化，這個過程一直持續(xù)到電池過充電結(jié)束，并建立一個氧化還原平衡的過程，在整個過充中，氧化產(chǎn)物和還原產(chǎn)物往復(fù)反應(yīng)消耗掉電解液中過剩的帶電離子和基團，最終以放熱的方式散發(fā)，從而起到保護電解液的作用。

1.3 正極材料優(yōu)化

為了實現(xiàn)更高的比能量，高鎳三元材料的使用成為一個優(yōu)先的選擇，然而，高鎳三元存在結(jié)構(gòu)及熱穩(wěn)定性差、電極材料/電解液界面復(fù)雜等缺點，安全挑戰(zhàn)極大。為了解決此安全問題，需要對正極材料進行優(yōu)化改善，可以進行材料的特殊表面包覆，使用安全顆粒進行包裹以改善其安全性能。摻雜一定比例的安全性更好的材料也是一個解決方向，但這會導(dǎo)致比能量的下降，如何實現(xiàn)比能量與安全的平衡，這還需要深入的研究。

1.4 負極材料優(yōu)化

硅基負極的開發(fā)是實現(xiàn)高能量密度電池的必經(jīng)之路。目前對動力電池用硅基負極的研究集中在硅碳（Si-C）復(fù)合材料和SiO材料方面，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計、表面改性、預(yù)鋰化和材料復(fù)合等方式是解決起安全問題的考慮途徑，但是硅負極的反應(yīng)機理、失效機理、改善措施等方面的系統(tǒng)性研究較少，需要從機理角度開展研究分析，并盡可能減少硅基負極在循環(huán)過程中的體積變化，以提高其循環(huán)壽命及安全性能。

1.5 選用高安全性的涂層隔膜

選用高安全性和熱穩(wěn)定性的陶瓷涂層隔膜。當電池內(nèi)部升到一定溫度時，多孔結(jié)構(gòu)的隔膜會發(fā)生熔化導(dǎo)致微孔結(jié)構(gòu)關(guān)閉，內(nèi)阻迅速增加而阻斷電流通過。并且由于陶瓷層的存在，保障了隔膜在受熱時的收縮度，防止由于隔膜收縮使得電池正負極直接短路從而散發(fā)出更多的熱量導(dǎo)致起火等事件的發(fā)生。

2 軟包裝鋰離子動力電池系統(tǒng)安全設(shè)計

單體電芯的安全性是電池系統(tǒng)的安全性能的重要影響因素，針對單體電芯可能產(chǎn)生安全問題的影響因素，可以通過系統(tǒng)設(shè)計避免各影響因素的觸發(fā)，從而實現(xiàn)電池系統(tǒng)產(chǎn)品的安全。

2.1 電源模塊設(shè)計

軟包裝鋰離子電池在電芯層級的安全性毋庸置疑，但其機械強度弱，如何在成組過程中實現(xiàn)良好的保護，保障其機械安全及熱安全，是電池模塊設(shè)計的關(guān)鍵。目前成熟可靠的設(shè)計方法可以采用塑料支架與導(dǎo)熱鋁片結(jié)合的方式組成電池單元，通過塑料支架將單體電芯進行四周保護，通過導(dǎo)熱鋁片將單體電芯的熱量及時傳遞，通過多個單元的串并聯(lián)組合，兩端通過端面板緊固，并通過扎帶或長螺栓固定加強，組成熱管理優(yōu)異的耐振動電壓模塊，以保障電池的機械安全及熱安全。

2.2 電氣系統(tǒng)設(shè)計

電池模塊通過電氣系統(tǒng)實現(xiàn)電氣連接，通過繼電器、保險絲、預(yù)充電回路及高壓互鎖功能接插件，實現(xiàn)繼電保護、過流防護、預(yù)充電、高壓互鎖等多項電氣防護功能，系統(tǒng)設(shè)計過程中需要關(guān)注電氣間隙及爬電距離，保障電氣安全，電氣件選型需要結(jié)合系統(tǒng)參數(shù)開展，并需要關(guān)注環(huán)境耐久性，目前國內(nèi)尚需基于老化機理和可靠性理論開展進一步的研究，進而根據(jù)全壽命周期內(nèi)的電氣安全性和可靠性來設(shè)計和驗證電氣系統(tǒng)的安全，以保障電池系統(tǒng)在全壽命周期內(nèi)的安全使用。

2.3 電池管理系統(tǒng)設(shè)計

電池管理系統(tǒng)是電池監(jiān)控及主動防護的關(guān)鍵部件，通過電池管理系統(tǒng)實時監(jiān)控單體電芯的電壓、溫度、電流，并通過強大的算法實時估計電池組的SOC（核電狀態(tài)），及時向車輛發(fā)送電池組允許的最大充放電功率（或電流）信息，以保障單體電芯在安全合理的條件下使用，同時監(jiān)控電池系統(tǒng)的絕緣電阻狀態(tài)、高壓互鎖狀態(tài)，保障系統(tǒng)層級的電氣安全。在出現(xiàn)異常情況時，電池管理系統(tǒng)可以控制繼電器斷開高壓回路，這是電池系統(tǒng)安全的重要保障。

2.4 熱管理系統(tǒng)設(shè)計

良好的熱管理系統(tǒng)可以保障單體電芯的溫度控制在合理的工作范圍內(nèi)，尤其避免出現(xiàn)過溫情況，保證電池系統(tǒng)的熱安全。目前常見的設(shè)計方式有自然散熱、風冷系統(tǒng)和液冷系統(tǒng)，其中以液冷系統(tǒng)散熱效果最佳，可以控制溫差在3℃以內(nèi)，可以兼顧散熱和加熱兩種需求，目前成為各家企業(yè)考慮的重點。為了保障電池系統(tǒng)在極端危險情況下的安全，熱失控防護設(shè)計也成為了必須要考慮的方向。需要通過隔熱材料將電池組分割為安全的獨立單元，當單體電芯出現(xiàn)熱失控時，可以阻隔熱失控的擴散傳導(dǎo)或延緩擴散速度，保障乘客安全。

2.5 電池組結(jié)構(gòu)設(shè)計

電池系統(tǒng)里的各個部件，最終要通過電池組結(jié)構(gòu)實現(xiàn)固定和集成。電池組結(jié)構(gòu)設(shè)計既要保障各個部件的良好固定，保障各個部件之間的安全隔離與防護，還要保障整個電池組的機械安全，另外往往還需要實現(xiàn)IP67的防護要求，以保障車輛的涉水安全。實現(xiàn)好的結(jié)構(gòu)設(shè)計，強大的有限元分析是必不可少的條件，通過有限元分析，可以用最輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料來保障系統(tǒng)的耐振動、耐沖擊性能，最終還要通過振動測試、沖擊測試以及車輛的綜合耐久測試來實現(xiàn)全面完整的測試驗證，保障系統(tǒng)的機械安全。

3 結(jié)論

隨著電池技術(shù)的日益進步，鋰離子電池的比能量也越來越高，安全設(shè)計成為產(chǎn)品開發(fā)的關(guān)鍵，軟包裝鋰離子電池在安全方面具備其特有的優(yōu)勢，但仍需在單體電芯及電池系統(tǒng)層級進行多方面的安全設(shè)計，以保障產(chǎn)品的最終安全應(yīng)用，推進新能源行業(yè)健康發(fā)展。