浅谈方形锂电池安全与盖板关联研究

摘要：目前，我国锂离子电池研究与世界基本同步，我国锂离子电池研究也处于白热化阶段。世界每两年举办一次国际锂电池大会。同样，国内也有类似的会议，如中国锂电池新能源展、中国锂电池新能源高峰论坛等。这些会议和展览旨在宣传和展示中国锂电池产业和中国锂电池的发展。方形锂电池目前应用于各个行业。主流行业包括汽车电源、电能存储、家用储能、通信备用电源等，电池的安全直接关系到人们的生命财产安全。除了电池设计系统公式的安全设计考虑外，电池盖板的设计还可以提高电池的安全性能。对此，文章介绍了关于盖板对电池安全影响研究，并提出相关设计参考。

关键词：方形锂电池;安全性;盖板关联;

引言

随着锂电池行业的飞速发展，动力电池市场和储能市场趋于火爆，但是随之而来的是时有发生的安全问题，最常见的是电车自然，通过业内人士分析，可能原因是电池热失控导致的，如何保证电池的安全性能，已成为目前迫在眉睫的问题。

1 方形锂电池的优缺点分析

方形锂离子电池封装可靠性高;系统能效高;重量轻，能量密度高;结构比较简单，扩容比较方便。通过增加单体容量来提高能量密度是重要的选择;如果机组容量大，系统配置比较简单，可以对机组进行逐一监控;系统的简单性带来的另一个好处是其相对较好的稳定性。但由于方形锂离子电池可以根据产品尺寸定制，市面上有上千种型号，而且型号太多，难以统一工艺;生产自动化水平不高，单体差异大。在大规模应用中，存在系统寿命远低于单体寿命的问题。

2 方形锂离子电池盖板设计与电池安全性能联系

众所周知锂电池盖板都有防爆阀设计，防爆阀主要功能是在电池内部热量快速膨胀时，在某个特定值范围防爆阀打开，释放内部压力，从而杜绝电池爆炸，从而增加电池安全性能;防爆阀的设计一般是铝材进行刻痕，刻痕的形状要兼顾防爆片的平整度，目前常见的有蝴蝶型和三叉型及O型，目前使用效果最佳的是蝴蝶型，工艺制程对其影响较小，从而保证防爆阀开启压力的稳定性。

电池在使用过程有时会出现铝壳腐蚀问题，时间久后，铝壳腐蚀穿透，从而造成安全问题;盖板设计正极端子导电PPS做绝缘件解决铝壳腐蚀问题;原理分析：一种锂离子电池铝壳盖，包括正极铝连接器和负极铜、镍或铜镍连接器。铝的标准电极电位为-1.66v，铜的标准电极电位为0.337v。由于电极电位越负，金属越容易失去电子而以离子状态进入溶液，金属的耐腐蚀性越弱。在LiPF6电解液存在下，游离锂离子可以嵌入铝离子中形成锂铝合金，从而引起铝金属的电化学腐蚀。正极上的塑料采用导电PPS减少电腐蚀，保证正极柱与顶部结构之间有一定的电阻，减小正极柱与铝壳之间的电位差，防止顶部结构/铝壳防止电腐蚀，从而提高产品质量和使用寿命;为了防止电池的结构件片以及外壳被腐蚀，需要将电芯的正极极耳与结构件片以及外壳时刻接通，使结构件片和外壳带正电。为了满足这一要求，需要时刻保持与电池的正极以及结构件片的电连接状态，此时另负极电极组件则需要与结构件片保持绝缘关系，电池在使用过程中有可能被导电物体刺穿外壳并连接导电片的负极片，由于外壳又连接电池的正极，因此穿钉现象发生后便会导致动力电池的正负极直接连接而形成穿钉回路，如果此时穿钉回路中的电阻值过小，则穿钉时外短路的电流过大，穿钉点容易打火，造成动力电池失控。与正极连接的电极组件和结构件片之间设置有电阻，使该电极组件始终通过该电阻与结构件片电连接，电阻的电阻的阻值不能过小，范围2～20000Ω，从而使穿钉回路中的电流大幅降低。这一有效的设计解决铝壳腐蚀问题，大大提高电池安全性。

电池在使用和运输过程中有可能会出现颠簸或碰撞情况，有可能造成损伤严重，造成安全隐患。支架的作用主要考虑极耳折弯后内部空间，考虑卷芯极耳折弯后绝缘，以及电池出现安全碰撞给与对卷芯的保护;通过16组DOE跌落实验数据得出结论，支架中间与卷芯接触面积大于25%效果最佳，既能兼容空间利用，又能保证减少电池碰撞造成损伤;接触面的优化同时也要考虑支架高度设计，合理的高度即节约空间，也保证卷芯极耳安全距离，目前设计合理范围5-7mm;这一设计改善，可以防止在汽车行驶过程撞击支架造成安全影响。

电池在充电过程中，一旦控制系统失去对充电管控，就会导致电池过充，从而会造成安全隐患;可以导入CID结构，翻转件包括焊接部、实心结构凸台、定位焊接部与凸台的连接部。凸台位于连接部的中心，焊接部位于连接部的外缘;焊接部与上盖片电性连接，凸台不与导电片接触。当动力电池内压升高时，翻转片承受内压后向上运动，使凸台与导电片连接。可有效增加凸台与导电片接触面的过流面积，降低过流，降低襟翼被吹出的概率，有效降低动力电池起火或爆炸的风险，大大提高动力电池的安全性能。

电池生产或运行过程中，有时会发现有电解液渗漏，电解液属于易燃液体，一旦出现火花会造成起火安全风险;分析电解液的来源最有可能是极柱的密封性差导致，行业里面用的有三元乙丙、氟橡胶、PFA及PP;通过耐候性测试氟橡胶密封性最佳，具备耐热性、抗氧化、耐油性、耐腐蚀性和耐大气老化性;选择密封性材质还要考虑密封性设计，通过长时间安全检测和型式检验，氟橡胶的压缩量控制在25-35%最佳;除了考虑压缩量也要兼顾设计，密封圈与绝缘件的接触需要考虑交叉，这样即能保证密封又能兼容绝缘性，电池密封绝缘有保证。

盖板存在正负极柱，一旦外界将正负极柱直接搭起来，就有可能造成短路，故盖板设计要考虑绝缘性，正负极柱需要除需要与外部焊接连接处，其它位置都使用绝缘件包裹，能够保证安全可靠。除了设计考虑，绝缘材料也非常重要，目前验证效果最佳是PPS，稳定性好;除此以外进行盖板面（带电）进行绝缘防护，在盖板面贴面贴，进一步有效防止短路发生;绝缘的优化，有利于防止电池外界短路发生，减少安全隐患产生。

3 盖板安全性设计一致性保证

前面所说的都是目前行业里面都有具备的，但是还是存在一些安全事故发生;设计是理论的，如何将理论的结构落实的实际，需要外部保证，人、机、料、法、环、测、安全7要素每个环节都不可缺少，只有具备了才能生产出一致性的产品，电池本身不具备危险性，加工的一致性会造成其危险。

4 结束语

随着时代的进步，人们对锂离子电池使用安全性提出了更高的要求，本文浅谈了盖板设计与电池安全的联系，每个细小的设计都可能造成安全隐患，给大家初步的理解。时代要向前发展，锂电池行业也在爆发式发展，设计者和管理者联合一起进行管理和管控才有进步和提升;精益生产的保证，以品质立尊严，才能提升盖板产品一致性，才能提升电池安全性能。

参考文献：

[1]刘烈元.工程材料及机械制造基础（Ⅲ），—机械加工工艺基础.北京：高等教育出版社，2006.2

[2]纪名刚等.机械设计.北京：高等教育出版社，2007.8

[3]许骏，王璐冰，刘冰河.锂离子电池机械完整性研究现状和展望[J].汽车安全与节能学报.2017，（1）.15-29.

[4]张向倩.锂电池检测的安全标准及安全防护研究[J].安全，2020，41（03）：49-53.