一种可防止软包锂离子电池外短路失效的开发设计方法与流程

1.本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种可防止软包锂离子电池外短路失效的开发设计方法。


背景技术：

2.锂离子电池凭借其绿色环保、良好的性能优势已广泛应用于消费类电子产品、电动汽车和储能等重要领域；而软包锂电池更是凭借其尺寸设计的灵活性、高比能量等优点，受到业界人士的重视和青睐；但在短路、热滥用条件下，易胀气、漏液、甚至引发自放热反应，导致起火爆炸等安全问题，针对上述短路、热失控安全问题，行业内也进行了广泛研究，被公认的电池依次反应历程为：
①
高温容量衰减；
②
sei膜分解；
③
负极-电解液反应；
④
隔膜熔化过程；
⑤
正极分解反应；
⑥
电解质溶液分解反应；
⑦
负极与粘结剂反应；
⑧
电解液燃烧失控；但鲜有报道从哪个反应截止阻断，可以减小短路失效、热失控的风险，以及对应的产品设计如何优化、改善；
3.短路测试是评价软包锂离子电池安全问题的一种有效方式，行业内通常采用传统钢针针刺锂离子电池来模拟分析短路失效过程，其中钢针主要有两方面作用：a决定短路电流；b决定散热面积；但因钢针本身具有高导热性和高导电率等缺陷，对测试结果影响较大；
4.现根据gb/t 18287标准，采用通用的短路测试设备，示意图见附图1，结合理论推算公式：
5.q电芯发热量＝i2电流*(r1 r2 r3)*t时间
ꢀꢀꢀ
(1)
6.i电流＝ocv开路电压/(r0 r1 r2 r3)
ꢀꢀꢀ
(2)
7.t时间＝c容量/i电流
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(3)
8.q电芯发热量＝c容量*ocv开路电压/(1 r0/r1 r2 r3)
ꢀꢀꢀ
(4)
9.发现外短路失效的风险与电芯的容量、开路电压、外线路阻值以及电芯的直流内阻有一定关系，为研究失效过程提供了一定的理论基础，同时可通过控制单因子变量，找出影响短路失效的主要因素，为以后软包锂离子电池的开发设计提供合理性建议，现有的此设计电芯短路后内部的产热较大，触发热失控导致起火的现象比较严重。


技术实现要素：

10.本发明的目的是为了解决背景技术中存在的缺点，而提出的一种可防止软包锂离子电池外短路失效的开发设计方法。
11.为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：一种可防止软包锂离子电池外短路失效的开发设计方法，其特征在于：包括以下主要步骤：
12.s1、首先电池开始短接测试；
13.s2、其次通过控制单因子实验。
14.优选的，所述s1需要瞬间大倍倍率放电，所述s1中检测的产生的电流大小可通过公式(2)计算。
15.优选的，所述s2中需要通过分别以ocv开路电压、c容量、r0外线路阻值、r1和r2极耳阻值以及r3电芯直流内阻为单因子进行验证。
16.优选的，软包锂电池包括正负极材料、隔膜、电解液、箔材、极耳等，其中正负极材料。
17.优选的，软包锂电池包括正负极材料、隔膜、电解液、箔材、极耳等，其中正负极材料。
18.优选的，所述正负极材料、电解液是影响电性能的主要因素，根据外短路单因子的实验结果，发现箔材、极耳、c容量、ocv开路电压等是影响安全测试的重要因素。
19.优选的，通过微调np比、极耳材质长度、箔材规格等，改变电芯的容量、电压态、内阻等关键参数。
20.优选的，采用热收缩更小的陶瓷涂胶隔膜，来防止外短路失效的发生。
21.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
22.1.通过控制单因子实验，筛选出了影响外短路失效的关键因素；失效风险与ocv开路电压、c容量、极耳阻值r1&r2、电芯直流内阻r3成正比，与外线路阻值r0成反比；
23.2.针对影响外短路的关键参数上，可以从新型号开发设计的选材上进行优化、改善，再不改变原电性能的基础上，从根本上解决外短路失效的风险；
24.3.本发明适用于软包锂离子电池，尤其适用于高电压态、高容量电芯。
附图说明
25.图1为本发明一种可防止软包锂离子电池外短路失效的开发设计方法的软包锂离子电池短路测试示意图；
26.图2为本发明一种可防止软包锂离子电池外短路失效的开发设计方法的实施例的实验结果对比图。
具体实施方式
27.以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。
28.提供一种可防止软包锂离子电池外短路失效的开发设计方法，其特征在于：包括以下主要步骤：
29.s1、首先电池开始短接测试；
30.s2、其次通过控制单因子实验。
31.s1需要瞬间大倍倍率放电，s1中检测的产生的电流大小可通过公式(2)计算，s2中需要通过分别以ocv开路电压、c容量、r0外线路阻值、r1和r2极耳阻值以及r3电芯直流内阻为单因子进行验证，软包锂电池包括正负极材料、隔膜、电解液、箔材、极耳等，其中正负极材料，软包锂电池包括正负极材料、隔膜、电解液、箔材、极耳等，其中正负极材料，正负极材料、电解液是影响电性能的主要因素，根据外短路单因子的实验结果，发现箔材、极耳、c容量、ocv开路电压等是影响安全测试的重要因素，通过微调np比、极耳材质长度、箔材规格等，改变电芯的容量、电压态、内阻等关键参数，采用热收缩更小的陶瓷涂胶隔膜，来防止外短路失效的发生。
32.图1设备开关闭合后，电池开始短接测试，瞬间大倍率放电，电流大小可通过公式(2)计算，符合欧姆定律；
33.根据公式(4)可知，电芯的产热量与电芯的容量、开路电压、外线路阻值以及电芯的直流内阻有一定关系，而电芯内部积累的热量，直接决定电芯的反应历程，见已有技术概况如
①②③④⑤⑥⑦⑧
，根据yamauchi t报道表明，热失控的关键温度为180℃，当放电结束之前温度＜180℃，不会发生进一步热失控；当温度≥180℃将进一步热失控，从而引发失效，而180℃基本对应正极的分解温度，即电芯外短路后内部温度应控制在180℃以内，才能防止失效的发生；
34.通过控制单因子实验，分别以ocv开路电压、c容量、r0外线路阻值、r1&r2极耳阻值以及r3电芯直流内阻为单因子进行验证，找出影响产热导致失效的主要因素；结果表明：电芯内部的产热量与ocv开路电压、c容量、极耳阻值r1&r2、电芯直流内阻r3成正比，与外线路阻值r0成反比；
35.软包锂离子电池的组成主要包括：正负极材料、隔膜、电解液、箔材、极耳等，其中正负极材料、电解液是影响电性能的主要因素，根据外短路单因子的实验结果，发现箔材、极耳、c容量、ocv开路电压等是影响安全测试的重要因素，即对于软包锂离子电池的开发设计有重要指导意义，可通过微调np比、极耳材质长度、箔材规格等，改变电芯的容量、电压态、内阻等关键参数，同时采用热收缩更小的陶瓷涂胶隔膜，来防止外短路失效的发生。
36.实施例
37.本实施例所述的是一款高能量密度、高电压态、高容量的软包锂离子电芯，详情如下：
38.电芯所选用型号：u506586p-5000mah，体积能量密度：706wh/l；
39.电芯所用材料：正极钴酸锂压实4.25g/cm3，负极石墨压实1.75g/cm3，铝箔采用12μm，铜箔采用8μm，正极耳材质铝，规格采用0.1mm厚*6mm宽*50mm长，负极耳材质铜镀镍，规格采用0.1mm厚*6mm宽*50mm长，5 2 2陶瓷涂胶隔膜，n/p＝1.08，4.4v高电压电解液。
40.短路设备r0外线路阻值80
±
20mω
41.测试标准不起火、不爆炸、温度≤150℃
42.对比例1：
43.1.电芯所选用型号：u506586p-5000mah，体积能量密度：706wh/l；
44.2.电芯所用材料：正极钴酸锂压实4.25g/cm3，负极石墨压实1.75g/cm3，铝箔采用10μm，铜箔采用6μm，正极耳材质铝，规格采用0.1mm厚*6mm宽*50mm长，负极耳材质铜镀镍，规格采用0.1mm厚*6mm宽*50mm长，5 2 2陶瓷涂胶隔膜，n/p＝1.08，4.4v高电压电解液。
45.3.短路设备r0外线路阻值80
±
20mω
46.4.测试标准不起火、不爆炸、温度≤150℃
47.对比例2：
48.1.电芯所选用型号：u506586p-5000mah，体积能量密度：706wh/l；
49.2.电芯所用材料：正极钴酸锂压实4.25g/cm3，负极石墨压实1.75g/cm3，铝箔采用10μm，铜箔采用6μm，正极耳材质铝，规格采用0.08mm厚*6mm宽*41mm长，负极耳材质铜镀镍，规格采用0.08mm厚*6mm宽*41mm长，5 2 2陶瓷涂胶隔膜，n/p＝1.08，4.4v高电压电解液。
50.3.短路设备r0外线路阻值80
±
20mω
51.4.测试标准不起火、不爆炸、温度≤150℃
52.对比例3：
53.1.电芯所选用型号：u506586p-5000mah，体积能量密度：706wh/l；
54.2.电芯所用材料：正极钴酸锂压实4.25g/cm3，负极石墨压实1.75g/cm3，铝箔采用10μm，铜箔采用6μm，正极耳材质铝，规格采用0.08mm厚*6mm宽*41mm长，负极耳材质铜镀镍，规格采用0.08mm厚*6mm宽*41mm长，5 5陶瓷混胶隔膜，n/p＝1.08，4.4v高电压电解液。
55.3.短路设备r0外线路阻值80
±
20mω
56.4.测试标准不起火、不爆炸、温度≤150℃
57.对比例4：
58.1.电芯所选用型号：u506586p-5000mah，体积能量密度：706wh/l；
59.2.电芯所用材料：正极钴酸锂压实4.25g/cm3，负极石墨压实1.75g/cm3，铝箔采用10μm，铜箔采用6μm，正极耳材质铝，规格采用0.08mm厚*6mm宽*41mm长，负极耳材质铜镀镍，规格采用0.08mm厚*6mm宽*41mm长，5 5陶瓷涂胶隔膜，n/p＝1.06，4.4v高电压电解液。
60.3.短路设备r0外线路阻值80
±
20mω
61.4.测试标准不起火、不爆炸、温度≤150℃
62.将对比例1-4及实施例的实验结果进行对比，见图2：
63.以上数据表明：通过调整箔材规格、极耳规格、隔膜种类、n/p比等，在不影响电性能容量保持率的前提下，改变电芯直流阻抗，对外短路测试结有较大影响，主要体现在短路温度max，测试通过率等；
64.备注说明：1、均为100％soc下测试数据；
65.2、与实施例对标：a对比例1变量箔材规格调整；
66.b对比例2变量在对比例1基础上增加极耳规格调整；
67.c对比例3变量在对比例2基础上增加隔膜种类调整；
68.d对比例4变量在对比例3基础上在增加n/p调整；
69.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。