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  • 锂电科普丨锂电池内部短路分析

    摘要

    在锂离子电池实际应用中,复杂的充放电工况可能导致过充、过放和过热等问题,进而引发电池性能快速衰退、内部短路以及热失控等严重安全隐患。本文从内短路原理、实验方法、识别方法和预防措施等方面进行深入研究,为锂电池安全识别和防护提供思路。

    ● 内短路机理研究

    锂电池内短路的触发条件主要有三种,分别为机械滥用、电滥用和热滥用。

    其中,机械变形和隔膜破裂会引发内短路;电化学过载则会导致电池析锂和枝晶生长,穿透隔膜引起内短路;高温使隔膜大规模收缩也可造成内短路。一旦发生内短路,大电流和大量局部热量的产生将引发热失控,危及电池安全。

    内短路存在电池全生命周期范围内,其发展演化过程分为初期、中期和末期。

    初期阶段,内短路引起的电压下降较为缓慢,产生的热量较少,很难被及时散去,因此电池温度没有明显变化。这个阶段持续时间较长,且不容易被察觉。

    中期阶段,电压下降明显,同时产生的热量增多,但仍然无法及时散去,导致热量积累。电池温度明显升高,这个阶段持续时间较短,特征明显,相对容易被观察到和识别。

    末期阶段,电池发生大面积短路,导致电压降为0V。此时瞬间产生大量热量,引发电池热失控。这个阶段持续时间极短且无法阻断,可能导致严重后果。

    ● 内短路诱发实验方法

    下表总结了当前用于诱发锂离子电池内短路的三种主要实验方法,包括滥用条件法、人工设计内部缺陷法和等效电阻法。每种方法的触发机理以及其优缺点如下:

    方法各有优劣,研究人员在选择实验方法时应根据具体需求和研究目的来进行评估和选择。

    ● 内短路识别方法分析

    为避免内短路发展到末期阶段发生不可阻断的热失控。现将目前关于内短路识别方法总结归纳为以下5类:

    实测数据偏差识别法:建立电池状态预测模型,通过比较实时实测值和模型预测值的偏差来识别内短路。然而,由于初期内短路导致的电压、温度等参数变化微弱,该方法对初期内短路的识别效果有限,且无法应用于并联电池组。

    电压信号异常识别法:基于陶瓷隔膜类电池内短路时的电压突降-回升现象,检测电池电压信号是否存在异常现象来判断内短路。但该方法只适用于特定类型的电池,且局限性较大。

    电池自放电识别法:内短路会引起不正常的自放电过程,通过检测电池自放电过程是否超出正常范围来识别内短路。然而,该方法无法进行电池工作时的实时识别和并联电池组的内短路识别。

    电池的一致性识别法:基于电池单体之间的一致性假设,监测电池单体的参数来判断是否发生内短路。然而,对于初期内短路,该方法识别效果有限,且无法应用于并联电池组。

    特殊电路识别法:通过检测电路拓扑结构中参数的对称性变化来准确识别内短路位置。该方法解决了并联电池组内短路的高精确识别和阻值估计问题,但设备成本高且可能影响电池动态一致性。

    ● 内短路抑制措施

    对于抑制和预防电池内短路,主要从电池材料和工艺方面以及电池设计使用方面两个方面进行方法总结。

    电池材料和工艺方面:通过改进隔膜和电解液材料,采用耐高温、低自放电率的陶瓷隔膜和阻燃电解液或离子液体电解质,可有效抑制枝晶生长,降低内短路风险。

    在正负极涂层上使用低导电性涂层或正温度系数材料,能够降低内短路电流和产热能力,从而降低热失控的风险。

    优化生产流程,包括电池单体的集流体涂层、杂质去除工艺等,以确保电池内部结构完整性和金属杂质的去除,防止金属颗粒刺穿隔膜导致内短路。

    使用先进的检测技术,监测电池内部结构完整度、加工精度和极片对齐度,以避免潜在内短路风险。

    电池设计使用方面:在软件设计方面,通过电池管理系统(BMS)设置合理的电池预警和安全控制策略,实现对电池单体状态的实时监控,及时检测并排除发生内短路的电池单体位置。

    通过电芯充放电冗余和均衡设计,减少电池高负荷引发内短路的风险。在硬件设计方面,分层设计电池保险丝,包括电池单体、模组、电池包和整车用电负载保险丝,以及合理设计电池内部冷却和加热系统,增加导热能力,防止因过热或低温充电引起的热失控。

    这些方法从不同的角度出发,综合考虑了材料、工艺和设计使用等方面,以最大程度地减少内短路的发生和扩展,提高锂电池的安全性和稳定性。

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