关于方形锂电池的基本结构及特点介绍
来源：宝鄂实业
2019-04-22 11:37
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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，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。
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方形电池特点
方形电池是国内较早推广的一种动力电池形式。2016年数据显示，国内圆柱、软包、方形锂电池产量分别为13.92GWh、21.64GWH、28.14GWh，占比分别为21.85%、33.97%、44.17%。方形电池重新获得了市场的重视。
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。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。
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。
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。
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。
