方形鋰電池絕緣低問題分析及其預防措施★

覃麗超，盧 晨，王陸陽，李 彬，黃祖朋

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術中心，廣西汽車新四化重點實驗室，廣西 柳州 545007）

引言

在大規模儲能、智能電網、清潔能源汽車和消費電子產品迅猛發展的主格局下，人們對電子儲能器件性能、可靠性、安全性的要求越來越高。鋰離子電池因能量密度高、循環壽命長、高倍率性能等優勢成為了應用最廣泛、技術成熟的電化學儲能器件之一。但鋰離子電池在生產、運輸、使用過程中會出現某些失效現象，即便單一電池出現了失效現象，也會影響到整個電池組的性能和可靠性，甚至會導致電池組停止工作或其它安全問題[1]。相對于圓柱形和軟包裝鋰電池，方形鋰電池因封裝可靠度高，結構較為簡單，在電動汽車領域應用越來越廣泛。近年來國內外發生的多起與動力電池相關起火爆炸事故，動力電池安全性問題也得到了極大的關注。電芯短路輕則造成電芯漏液，動力電池發生絕緣故障，重則引起動力電池系統起火。本文對某方形鋰電池模組絕緣低排查案例進行原因分析，并對其電芯殼體腐蝕的失效過程及機理進行討論，提出改進方法。

1 某方形鋰電池模組絕緣低排查案例分析

1.1 排查過程

某動力電池檢查發現一個模組絕緣值遠低于標準值，僅0.113 MΩ，檢查發現模組1號電芯底部殼體有明顯電解液腐蝕跡象，Bus bar片連接完好，模組Pin針無異常，未出現彎折等。排查模組制程數據未發現異常，對故障模組進行電性能測試，發現其電壓和內阻參數正常，絕緣異常。對故障模組進行拆解，各電芯藍膜完好，1號電芯底部電解液泄露明顯，撕除藍膜后發現明顯腐蝕點。排查1號電芯制程數據未發現異常。電芯負對殼電壓實測0.596 V（規格不小于1.5 V），開殼后電壓未恢復，兩JR外觀正常，底部無破損，極耳焊接處無搭接頂蓋；JR拆除后，實測電芯負極柱與頂蓋阻值為0，如圖1所示。對電芯頂蓋進行CT分析，發現負極柱內上塑膠與頂蓋片間有金屬異物，負極柱與頂蓋連通，如圖2所示。

圖1 異常電芯分析圖片

圖2 電芯頂蓋CT分析結果

1.2 原因分析

對電芯頂蓋制程進行排查，極柱、PPS來料與極柱注塑工序為風險工序。電芯頂蓋金屬絲導致短路的原因主要有2個。一是注塑配件引入：外型落料工序，刀口間隙過大，負極柱墩壓產生銅顆粒；PPS來料混入不銹鋼顆粒，注塑時嵌入零件PPS中。二是設備引入：烘料機于注塑機機未進行封閉式管理投料，存在車間金屬顆粒吸入PPS原料風險。

1.3 失效過程分析

電芯頂蓋絕緣層混有金屬屑，電芯頂蓋電測使用PC500 V電壓測試2s，要求絕緣電阻不小于200 MΩ的標準測試通過，500 V電壓無法擊穿間隙，電芯焊接巴片后，負極鋁塊受熱使表面的絕緣層（PP材料）融化，金屬屑隨融化的絕緣層流動至負極住邊緣；負極鋁塊絕緣層融化后再冷卻，塑膠凝固收縮，使極柱和頂蓋片之間有了空隙；金屬屑在空隙中因為震動而移動，偶然會使負極柱和頂蓋片導通，在不斷的充放電過程中，電芯殼體慢慢發生腐蝕，從而導致電芯漏液，絕緣值低。

2 腐蝕機理

方形鋰離子電芯的腐蝕實際上是鋁殼形成鋁鋰合金的過程，需要滿足兩個必要條件，其一是電子短路，即鋁殼具有低電位的負極；其二是離子短路，即鋁殼接觸電解液中的鋰離子[2]。

正常電芯負極柱與殼體通過絕緣層隔開，殼體處于高電位，當負極柱與頂蓋片存在金屬屑發生導通，負極柱與鋁殼發生短路，鋁殼將具有腐蝕電位條件，鋁殼電位顯著降低（鋁殼起始嵌鋰電位約為1.4 V）。與此同時，鋁殼與電解液中的鋰離子接觸，低電位的鋁殼將與鋰離子發生電化學反應，如圖3所示。

圖3 電芯等效模型

負極：L ixC6→6C+xL i++xe-

正極：A l+xL i++xe-→LixA l

電子由負極轉移至鋁殼，鋰離子嵌入鋁殼形成鋁鋰合金，可分為三個階段：階段Ⅰ鋁氧化物的還原；階段Ⅱ的形成；階段Ⅲ理論上會形成。隨著鋰嵌入程度提高，與空氣中的氧氣和二氧化碳反應，生成堿金屬鹽[3]，鋁殼逐漸被腐蝕。電芯四周有mylar包覆絕緣，僅有底部有定位孔及合攏間隙，故常見于電芯底部腐蝕。

3 預防措施

1）加強工藝管控，減少引入金屬異物的風險。負極墩壓落料模具鑲件采用高強度鋼，減小刀口間隙，減少毛刺的產生；增加拋震時間，確保毛刺被充分打磨；PPS原材粒子，包裝前增加金屬分離器進行分離包裝。吸料管與烘料機綁定，減少吸附車間particle風險。

2）加強電芯頂蓋的下線絕緣檢測標準。本案例中追溯故障電芯頂蓋的出廠電測數據合格，由此可見當前測試標準500 V電壓無法擊穿金屬屑、負極柱與頂蓋片的間隙，無法檢出此類故障類型的電芯頂蓋。保持DC500V hi pot電壓絕緣電阻200 MΩ檢驗前提下，檢成品測試增加1道1 500 V 2 s 2 mA耐高壓電阻100%成品測試已做正向驗證，1 500 V檢測不通過的樣品CT結果顯示金屬絲存在。

4 結語

金屬異物極易引發鋰離子電池發生內部短路，而短路又是產生熱失控的最常見原因，由此可見鋰離子電池生產過程中金屬異物管控的重要性。電池安全性問題需要廣大技術人員一同努力推進，使電池生產工藝異物管控做的越來越好。