探討鋰電池擠壓試驗的影響因素

隨著鋰電池在新能源汽車上的大規模使用，人們開始對鋰電池的安全性給予了越來越多的關注，特別是特斯拉最近爆出的多起電動車起火事件，更讓人們對于動力電池的安全性多了一份憂慮。為了保證鋰電池的安全性，出廠前都要進行一系列的安全探測，包括擠壓、針刺和短路等試驗，其中擠壓試驗主要是模擬電動車在發生事故時動力電池發生形變后的安全性，對于動力電池的安全性具有緊要的參考意義。影響擠壓試驗的結果的因素很多，例如擠壓速度、擠壓的位置等都會影響最終的探測結果，近日美國麻省理工學院的BrandyDixon等對擠壓試驗影響探測結果的因素進行了評估和探測，探測結果聲明某些因素，例如是不是有電解液，擠壓探測的速度等會對探測結果萌生顯著的影響，但是有些因素，例如擠壓探測選擇的位置，就對探測結果幾乎沒有影響。

試驗中采用了軟包鋰電池，容量為52Ah，正極材料為NCA體系，電池在兩種狀態下進行探測，一種是沒有電解液的干燥狀態，一種是有電解液，并放電到0%SoC的狀態。

1.電解液對于擠壓探測結果的影響

通常為了便于分解擠壓探測對鋰電池內部結構的影響，我們會采用沒有注入電解液的干電池，或者將電解液蒸干后進行擠壓探測，但是很少有研究分解電解液對于擠壓探測結果的影響。BrandyDixon采用沒有電解液的干燥電池和放空電后的一般電池進行了圓形平面擠壓探測和半球形擠壓探測，圓形平面擠壓探測聲明沒有電解液的干電池在探測中會萌生一個更大的力反饋（如下圖藍色曲線所示），干燥電池在變形量達到4mm時萌生的力反饋為167kN，而有電解液的一般電池僅為150kN。

在半球形擠壓探測中也發現了同樣的規律，干電池萌生的最大作用力達到7.7kN（變形量達到4mm后失效），而有電解液的一般電池最大作用力僅為5.2kN（變形量為3mm后失效），這項探測聲明電池中的電解液實際上會對鋰電池擠壓探測結果萌生顯著的影響，聚合物隔膜在經過電解液浸泡后會發生軟化，因此會比干燥狀態下更早的失效。從BrandyDixon的探測結果來看采用干燥電池得到的擠壓探測結果會比電池的實際狀態更大一些，因此干燥電池的擠壓試驗探測得到的結果并不能完全代表鋰電池的實際使用情況。

2.擠壓位置對探測結果的影響

由于鋰電池在發生事故擠壓變形的過程可能在鋰電池不同的位置，而我們進行擠壓探測時通常會選擇將電池的中央位置作為探測位置，那么擠壓探測結果能夠表征鋰電池在實際使用中的所有情況呢？對此，BrandyDixon通過在干燥鋰電池的不同位置進行擠壓探測，分解了擠壓的位置對于探測結果的影響。BrandyDixon選擇了四個位置進行探測，其中第一個位置為電池的中央，距離鋰電池長邊約65mm，第二個位置距離長邊約30mm，第三個位置距離鋰電池的長邊約10mm，第四個和第五個點都位于鋰電池的邊緣位置，其中第五個點的中心位置位于鋰電池的邊緣上。下圖a為探測結果，從結果來看除非擠壓位置位于鋰電池的邊緣上，否則擠壓探測的位置對探測結果基本上沒有影響，也就是我們在擠壓探測的時候可以選擇除了邊緣的任何位置。

3.擠壓速度對于探測結果的影響

在鋰電池的實際使用中往往會面臨不同的擠壓速率的考驗，那么擠壓速度是不是會對探測結果萌生顯著的影響呢？為此BrandyDixon采用0.2mm/min到20mm/min的速度進行了擠壓探測，探測結果如下圖c所示，從圖中能夠看到擠壓速度會對擠壓探測的最大作用力萌生分明的影響，例如在20mm/min的速度下，最大作用力為8.4kN，而在0.2mm/mm的速度下最大作用力僅為7.3kN，但是如果擠壓速度在一個數量級上，例如10mm/min和20mm/min，1mm/min和2mm/min就會得到相同的探測結果。

4.擠壓探測的重復性

擠壓探測作為一種破壞性的實驗，只能通過抽樣的方式來進行實驗，因此探測電池得到的實驗結果是不是具有可重復性，能夠多大程度上代表其他同批次電池就成為一個緊要的問題。為了驗證擠壓探測的實驗結果是不是具有可重復性，BrandyDixon采用直徑分別為12.6mm、28mm和44mm的半球形擠壓頭對鋰電池進行了擠壓探測，結果如下圖c所示。從探測結果來看，不同直徑的擠壓探測頭在多次擠壓探測中得到的曲線高度重合，僅僅是在最大作用力上有輕微的差別，這聲明擠壓探測的重復性非常好，能夠僅僅通過測量少量的鋰電池表征同批次電池的安全性。

擠壓探測是動力電池非常緊要的安全探測，BrandyDixon的研究為我們指明了哪些因素會對擠壓探測的結果萌生顯著的影響，需要我們進行嚴格的控制，而那些因素對于最終探測結果的影響不大，可以適當的放寬限制。同時BrandyDixon的研究也聲明了擠壓探測具有非常好的可重復性，因此我們能夠通過對少量電池進行擠壓探測，而表征同批次的電池的安全性。

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