方形电池的特点是什么？方形电池典型问题和应对
来源：宝鄂实业
2019-06-16 20:06
点击量：次
一个典型的方形锂电池，主要组成部件包括：顶盖，壳体，正极板、负极板、隔膜组成的叠片或者卷绕，绝缘件，安全组件等。其中，红圈中的两个是安全结构，NSD针刺安全装置；OSD过充保护装置。
针刺安全保护装置(NSD，Nail Safety Device)。这是在卷芯的最外面加上了金属层，例如铜薄片。当针刺发生时，在针刺位置产生的局部大电流通过大面积的铜薄片迅速把单位面积的电流降低，这样可以防止针刺位置局部过热，缓减电池热失控发生。
过充安全保护装置(OSD，Overcharge Safety Device)，目前这个安全设计在很多电池上都能看到。一般是一个金属薄片，配合fuse使用，fuse可以设计到正极集流体上，过充时电池内部产生的压力使得OSD触发内部短路，产生瞬间大电流，从而使Fuse熔断，从而切断电池内部电流回路。
壳体一般为钢壳或者铝壳，随着市场对能量密度的追求的驱动以及生产工艺的进步，铝壳逐渐成为主流。
方形电池特点
优点，方形电池封装可靠度高；系统能量效率高；相对重量轻，能量密度较高；结构较为简单，扩容相对方便，是当前通过提高单体容量来提高能量密度的重要选项；单体容量大，则系统构成相对简单，使得对单体的逐一监控成为可能；系统简单带来的另外一个好处是稳定性相对好。
缺点，由于方形锂电池可以根据产品的尺寸进行定制化生产，所以市场上有成千上万种型号，而正因为型号太多，工艺很难统一；生产自动化水平不高，单体差异性较大，在大规模应用中，存在系统寿命远低于单体寿命的问题。
说到这里，不能不提一下2017年7月颁布，今年2月正式实施的国家推荐标准《GB/T 34013-2017 电动汽车用动力蓄电池产品规格尺寸》，其中针对方形电池，给出了8个系列的尺寸，如下图和下表所示。
个人觉得，对电芯规格尺寸做出引导，短期也许没有特别明显的效果，甚至有人觉得这个时候给出指导意见，会束缚行业发展，而改变产品尺寸，对电芯生产来说，还不仅仅是工装模具的问题，影响甚大。
但作为一个推荐标准，只要能够给筹备新生产能力和做产线调整的厂家一个倾向，长期来看，必然对规格尺寸逐渐的向系列化方向发展有推动作用。而电芯和模块的一致性，是真正实现梯次利用的前提。至于技术路线在今后可能出现跨越，其实并不影响没有出现跨越之前向可见目标前进的努力。
德国尤利希研究中心专家日前开发出一种新型固态电池，充电率比现有文献记录的固态电池高出十倍。新电池组件由磷酸盐化合物制成，材料经过化学和机械性能的最佳匹配，实现了电池持续良好的可通性。
固态电池因对热不敏感，不含任何可能泄漏或着火的液体部件，因此被认为比传统锂离电池更安全、可靠和耐用。影响固态电池发展的关键因素之一是通过的电流低，这会导致电池充电时间较长。一般固态电池再次充满需要约10—12个小时，而这款新型电池不到1个小时就能充足电。
项目负责人坦普尔博士介绍说，在传统锂离电池中使用液体电解质，能非常好地接触电极，具有纹理表面的电极像海绵一样吸收液体，形成一个大的接触区域；而两种固体材料不能这样相互结合，电极和电解质之间的接触电阻相应更高，影响电流的通过。
为了使电流在固体层边界处获得最大的流动性，研究团队设计的固态电池电极和电解质采用非常类似的材料组分，由不同的磷酸盐化合物制成。固体电解质作为稳定的载体材料，是在磷酸盐电极两侧通过丝网印刷工艺制成，使用的材料价格合理并容易加工。新型固态电池基本上不含有毒或有害物质。
坦普尔称，他们设计的固态电池主要是基于材料的最佳组合，这项设计证明固态电池实现高充电率和快速充电是完全可行的，并因此获得了专利。
参与项目的中国学者石城宇博士介绍说：“在最初的测试中，新电池的充放电循环相当稳定，经过500次充放电仍能保持原始容量的84％。当然，新电池还有改进空间，理论上做到低于1％的损耗也是可行的。”
尤利希能源和气候研究所所长艾歇尔教授表示：“新电池目前能量密度为每克约120毫安小时，已经非常高了，即使它们仍稍低于当今市场上的锂离电池。”
该固态电池除了可用于开发电动汽车，还能应用到航空航天、智能住宅和医疗器械等众多领域。
方形电池典型问题和应对
1）侧面鼓胀问题
锂离子电池在充放电过程中电池的内部存在一定的压力(经验数据0.3～0.6 MPa)，在相同的压力下，受力面积越大，电池壳壁的变形越严重。引起电池膨胀的重要原因：化成时形成SEI 的过程中产生气体，电池内气压升高，由于方形电池平面结构耐压能力差，因此造成壳体变形；充电时电极材料晶格参数发生变化，造成电极膨胀，电极膨胀力作用于壳体，造成电池壳体变形；高温贮存时，少量电液分解及由于温度效应气体压力增大，造成电池壳体变形。在以上三个原因中电极膨胀而引起的壳体膨胀是最主要原因。
方形电池的鼓胀问题是一个通病，特别是大容量方形锂离子电池更为严重，电池鼓胀会造成电池的内阻增加、局部的电液枯竭甚至壳体破裂，严重地影响了电池的安全性及循环寿命。
张超等人给出的方案，利用小结构形式，加强壳体强度；优化排列方式两个角度，解决方形电池鼓胀问题。
加强壳体强度，把原来的平面壳体设计成加强结构，并以向壳体内部打压的方式，测试壳体加强结构设计的效果，按照固定方式的不同（固定长度方向和固定宽度方向），分别测试。可以明显观察到加强结构的作用。以宽度固定情形为例，在0.3Mpa压力下，有加强结构的变形量为3.2mm，而没有加强结构的壳体变形量达到4.1mm，变形量降低了20%以上。
宽度固定条件下打压：
长度固定条件下打压：
优化模组中电芯排列方式，研究人员对比了两种排列型式，如下图所示，变形量如下面表格所示。对比发现，排列方式Ⅱ的厚度方向变形量明显小于排列方式Ⅰ。
2）大型方形电池散热性能变差
随着单体体积的增大，电池内部发热部分距离壳体的距离越来越长，传导的介质、界面越来越多，使得散热变得困难，并且在单体上，热量分布不均的问题越来越明显。
吴伟雄等人进行了一项研究，实验采用3.2 V/12 Ah 的方形锂离子电池，其基数如表1 所示。电池充放电设备为新威CT-3001W-50V120ANTF,测试过程中环境温度为31 ℃，散热方式为空气冷却，用温度巡检仪记录电池的温度变化。实验步骤：
1) 压充电，用12A 电流给电池充电至充电截止电压3.65V止电流1.8A；
2) 搁置，充电后搁置1 小时以使电池稳定；
3) 恒流放电，以不同的倍率放电至放电截止电压2 V。其中，放电倍率分别按为1C、2C、3C、4C、5C、6C 设定。
如下图所示，为不同放电倍率下电池表面的温度变化，可以看到，随着倍率增加，温度也越来越高，各放电倍率对应的电池表面最高温度分别为38.1、48.3、56.7、64.4、72.2、76.9 ℃。3C 倍率放电时，最高温度已超过50 ℃。6C 时温度达到了76.9 ℃且超过50 ℃的时间为470 s，占到了整个放电过程的三分之二，这对于电池安全持续工作非常不利。
