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麻省理工抗撞击实验室∣被忽略的轴向负荷对18650电池的影响

麻省理工抗撞击实验室∣被忽略的轴向负荷对18650电池的影响

圆柱型锂离子电池是电动汽车常用的动力源,但电池在地面上组装过程中易发生轴向形变,而目前袋状和圆柱型电池的机械负荷研究主要集中在横向方面;且由于圆柱型电池顶端和底端的不协调搭配,正极端的端帽构造也给轴向负荷增添了额外的复杂性,使得关于轴向负荷研究的甚少。然而,即使电芯的内部不发生任何故障,轴向变形也可能导致电池帽组件处短路;并且在轴向负荷时,电芯的变形会导致局部褶皱。因此,对圆柱型电池进行轴向负荷的研究是必要的。

近期,麻省理工学院抗撞击实验室的Elham Sahraei等人将实验、数值分析和理论分析相结合,探究了轴向挤压对18650型电池造成的形变和破坏影响。结果表明:轴向挤压也会对电池产生影响,进而导致电池发生短路现象。随后,作者提供了电池变形的4个过程及相应的电池端帽处形变组件,并且分析了造成电池短路的原因,该成果发表在能源类重要期刊 J. Power Sources上。

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图1. 轴向挤压实验的装置和测试

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图2. 18650电池四分之一部分的有限元模型

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图3. 轴向挤压电池形变过程

作者先通过轴向挤压测试发现,阻力曲线都表现出“缓慢增加-迅速增加-轻微减小-迅速增加”的趋势,在形变过程中有4个不同的阶段存在。当18650电池轴向压缩4mm(大约3mm,忽视初始间距)后,电池开始出现故障。并且测试发现电池有大量的热量产生,这表明在轴向挤压过程中,电压的下降是由短路引起而非断路引起。随后作者利用有限元模型模拟了轴向形变的整个过程,得到的位移-阻力结果与实验数据相一致,然后作者又利用微电脑断层扫描成像法(Micro CT scan)对测试电池进行截面扫描,结果表明该有限元模型模拟图形符合实际实验图形。最后,作者通过解析解的方法提出了轴向形变的4个主要过程为:第一阶段-壳体的弯曲;第二三四阶段-电芯的凹陷和壳体的轴向形变。

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图4. 轴向挤压测试后的18650电池组件

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图5. 轴向挤压测试前18650电池组件

此外,作者也对测试过程中出现的短路现象进行了描述。首先,短路现象发生在形变位移3mm(实验4mm,包括初始间距)处,对应于第四阶段的全部过程;其次,所有的形变都发生在电芯的顶端。随后作者提出了引起短路的可能原因:隔膜的破裂使得外壳和电芯接触;隔膜的破裂使得正负极相互接触;正负极在隔膜的皱纹处接触;安全阀被压扁和电芯接触。

本文研究了轴向挤压对电池的影响,并且得出18650电池轴向形变距离最小为4mm;形变主要发生在电芯的顶端,外壳和电芯的接触会增加短路风险等结论。该研究成果给工业生产提供了大量的参考数据,给电池结构的设计提供了新的数据支撑,以及为解决电池短路现象提供了新的思路,为电池的安全使用提供了新的保证。其次,微电脑断层扫描技术(Micro CT scan)也给在不拆解电池的情况下获取截面信息提供了新的测试手段,使得在工业生产中更容易发现问题原因,从而极大提高解决问题的效率。

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