電芯膨脹力控制及模組膨脹空間的設計

電芯膨脹力控制及模組膨脹空間的設計目錄

CONTENTS研究背景12345模組膨脹空間的設計膨脹力產生原因展望電芯膨脹力控制第一部分安全事故回顧電芯膨脹的后果研究背景安全事故回顧Partone電芯膨脹的后果Parttwo據科技媒體報道，第三方測評機構Instrumental出具三星Note7爆炸的調查報告，爆炸的原因在于機身激進的設計。在設計Note7時，希望盡可能增加電池容量，但在設計電池倉的時候，電池倉的空間與電池之間過分緊密。導致電池有幾率在日常使用之中被壓迫導致內部短路，從而出現(xiàn)發(fā)熱和燃燒。2019年5月16日某品牌汽車起火事故Q1：召回聲明里提及的安全隱患是如何發(fā)生的？A1：該事故車輛模組內的電壓采樣線束存在由于個別走向不當而被模組上蓋板擠壓的可能性。在極端情況下，被擠壓的電壓采樣線束表皮絕緣材料可能發(fā)生磨損，從而造成短路，存在安全隱患。Q2：線束磨損所導致的問題為什么建議用戶SOC降到90%？A2：SOC越低，電芯膨脹程度就越低，線束受損的可能性也就越低。安全事故回顧Partone電芯膨脹的后果Parttwo電芯膨脹產生膨脹力，若對膨脹力處理不當會給電芯和模組帶來危害：1）影響性能：電芯內部壓力變大，電芯的性能和壽命會受到影響；安全事故回顧Partone電芯膨脹的后果Parttwo2）影響安全：模組設計時若膨脹力處理不當，極端情況下會出現(xiàn)結構變形、焊接失效等風險甚至破壞結構框架。焊接失效焊接失效結構變形第二部分材料結構變化應用條件膨脹力產生原因膨脹原因鋰電池膨脹的原因分為兩類，一是材料脫嵌鋰導致材料結構發(fā)生變化而引起的可逆膨脹；二是由于應用條件導致SEI膜增厚和產氣等不可逆膨脹。材料結構變化正負極脫嵌鋰應用條件SEI膜增厚、產氣膨脹力產生原因Partone材料結構變化Parttwo應用條件Partthree膨脹力產生原因Partone材料結構變化Parttwo應用條件Partthree石墨活性物質NCM-333K+石墨K-0~100%SOC下晶胞體積變化率-1%+10%~12%附著于負極表面SEI膜不斷增厚，導致負極體積膨脹，進而表現(xiàn)為軟包鋰電池的膨脹現(xiàn)象。B產氣導致的不可逆膨脹SEI膜增厚導致的不可逆膨脹應用條件A膨脹力產生原因Partone材料結構變化Parttwo應用條件Partthree產氣是加劇鋰電池膨脹的最主要原因，引起電芯脹氣的本質是電解液發(fā)生分解所致，如電解液雜質，電解液電化學窗口太低等。第三部分膨脹力的測試方法選取低膨脹材料體系電芯膨脹力控制選取合理的SOC區(qū)間選取合理的電池倍率選取合理的初始壓力VS恒定距離恒定壓力加壓夾具數(shù)字顯示屏測試方法Partone低膨脹材料Parttwo合理的SOCPartthree合理的倍率Partfour合理的初始壓力Partfive負極為不定型碳材料，整體膨脹較小，4.5C時僅有0.6%左右，變速率為0.48μm/SOC；負極為石墨，整體膨脹為2%左右，由于石墨嵌鋰時層間化合物形成規(guī)律導致其存在低膨脹區(qū)間。不定型碳石墨充電放電測試方法Partone低膨脹材料Parttwo合理的SOCPartthree合理的倍率Partfour合理的初始壓力Partfive測試方法Partone低膨脹材料Parttwo合理的SOCPartthree合理的倍率Partfour合理的初始壓力Partfive電芯在充電或放電過程中

都存在一段形變/應力變

化平緩的SOC區(qū)間；減小充電上限電壓可降低電池應力。充電放電ü

隨充放電倍率的增大，電芯的膨脹力增加；ü

電芯在4C充電時由于電流過大，對電芯造成不良影響；因此電池應用時需要選擇合理的倍率。0.3C4C測試方法Partone低膨脹材料Parttwo合理的SOCPartthree合理的倍率Partfour合理的初始壓力Partfive壓力增大導致隔膜閉孔阻礙鋰離子傳輸；壓力增大導致析鋰增多；合適的初始壓力能夠提高電池的循環(huán)性能。測試方法Partone低膨脹材料Parttwo合理的SOCPartthree合理的倍率Partfour合理的初始壓力Partfive隔膜中等壓力不同壓力下電池拆解對比第四部分膨脹空間緩沖棉選型結構件強度與剛度電池模組膨脹空間的設計電芯膨脹不僅影響電芯使用壽命和性能，在壽命末期，由于電芯膨脹造成模組結構機械安全失效，進而引發(fā)熱失控風險，更是我們需要關注的問題。解決方案：通過膨脹空間設計、緩沖棉選型、結構件強度和強度三者緊密聯(lián)系，研究三者的辯證關系，從而獲得合理的膨脹空間設計。膨脹空間緩沖棉選型結構件強度與剛度結構件強度與剛度 緩沖棉的選擇 預留膨脹空間Part

o

e Parttwo Partth

ee電芯間空隙自由空間1mm中間大空隙自由空間2mm在電芯之間預留膨脹空間用于吸收電池的膨脹。電芯間隙自由空間1.4mm電芯間隙自由空間0.4mm膨脹空間Partone緩沖棉選型Parttwo結構件強度與剛度Partthree膨脹空間Partone緩沖棉選型Parttwo結構件強度與剛度Partthree通常設置緩沖泡棉吸收電池的膨脹，要基于理論計算和仿真分析確定泡棉的規(guī)格，再結合實驗驗證泡棉選型的合理性。一般情況下，根據模組膨脹空間確定泡棉厚度、根據泡棉壓縮性能曲線和結構件受壓變形曲線最終確定緩沖泡棉的選型。焊接強度泡棉壓縮性能曲線外包絡變形量模組裝配尺寸鏈電芯膨脹率由泡棉壓縮性能曲線和膨脹空間確定模組外包絡單邊壓強-位移曲線由有限元計算確定模組外包絡單邊壓強-位移曲線模組焊接強度校核模組外包絡位移結果膨脹空間Partone緩沖棉選型Parttwo結構件強度與剛度Partthree通過CAE方法校核結構件強度和剛度。由膨脹空間、緩沖棉選型、模組外包絡的相互辯證關系，最終確定模組外包絡所受壓力，通過CAE方法校核結構件及其焊接的強度和剛度。第五部分展望CTP結構電芯膨脹怎么解決？電池全壽命周期內安全可靠CTP結構電芯膨脹怎么解決？ 電池全壽命周期內安全可靠Partone Parttwo隨著CTP大模組結構的廣泛應用，相對標準模組，CTP大模組長度更長，剛度相對較差，更需要廣泛關注電芯膨脹力。目前CTP結構解決電芯膨脹問題主要措施有以下幾點：1、電芯之間預留膨脹空間或采用泡棉吸收；2、通過綁帶式結構或者穿桿式結構約束電芯膨脹；3、通過端板和中間端板的固定結構約束電芯膨脹，同時增強模組剛度；4、電芯底部粘膠約束電芯膨脹