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(shù)中心,廣西汽車新四化重點實驗室,廣西 柳州 545007)
在大規(guī)模儲能、智能電網(wǎng)、清潔能源汽車和消費電子產(chǎn)品迅猛發(fā)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(huán)壽命長、高倍率性能等優(yōu)勢成為了應用最廣泛、技術(shù)成熟的電化學儲能器件之一。但鋰離子電池在生產(chǎn)、運輸、使用過程中會出現(xiàn)某些失效現(xiàn)象,即便單一電池出現(xiàn)了失效現(xiàn)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(jié)構(gòu)較為簡單,在電動汽車領域應用越來越廣泛。近年來國內(nèi)外發(fā)生的多起與動力電池相關(guān)起火爆炸事故,動力電池安全性問題也得到了極大的關(guān)注。電芯短路輕則造成電芯漏液,動力電池發(fā)生絕緣故障,重則引起動力電池系統(tǒng)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。
某動力電池檢查發(fā)現(xiàn)一個模組絕緣值遠低于標準值,僅0.113 MΩ,檢查發(fā)現(xiàn)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(xiàn)彎折等。排查模組制程數(shù)據(jù)未發(fā)現(xiàn)異常,對故障模組進行電性能測試,發(fā)現(xiàn)其電壓和內(nèi)阻參數(shù)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(fā)現(xiàn)明顯腐蝕點。排查1號電芯制程數(shù)據(jù)未發(fā)現(xiàn)異常。電芯負對殼電壓實測0.596 V(規(guī)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(fā)現(xiàn)負極柱內(nèi)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(jié)果
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(chǎn)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。
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(fā)生腐蝕,從而導致電芯漏液,絕緣值低。
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(fā)生導通,負極柱與鋁殼發(fā)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(fā)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(zhuǎn)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。
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(chǎn)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(shù)據(jù)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(jié)果顯示金屬絲存在。
金屬異物極易引發(fā)鋰離子電池發(fā)生內(nèi)部短路,而短路又是產(chǎn)生熱失控的最常見原因,由此可見鋰離子電池生產(chǎn)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(shù)人員一同努力推進,使電池生產(chǎn)工藝異物管控做的越來越好。