高比能軟包裝鋰離子動力電池安全設計

許科

摘 要 針對高比能鋰離子動力電池面臨的安全挑戰，從技術研發角度對單體電芯和電池系統兩個層級進行了安全設計思路分析。對于單體電芯的安全設計，從電解液添加劑、電解液配比、正極材料、負極材料、隔膜等多個角度進行了分析。對于電池系統安全設計，從電源模塊、電氣系統、電池管理系統、熱管理系統、電池組結構設計角度進行了分析。

關鍵詞 鋰離子電池；高比能；軟包裝；安全設計

中圖分類號 TM912 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）11-0020-02

近年來，鋰離子動力電池技術不斷提升，成本不斷下降，推進了新能源汽車應用量的大幅提升。然而，電動車安全事故的發生給行業敲響了警鐘。車輛更高的續駛里程要求鋰離子動力電池比能量不斷提高，伴隨而來的是更大的安全挑戰。如何解決高比能鋰離子電池的安全問題，成為行業關注的焦點。其中，軟包裝鋰離子動力電池具備安全特性高的特點，在高比能鋰離子電池發展上具備良好的前景。

1 高比能軟包裝鋰離子電池安全設計

軟包裝鋰離子電池其特有的軟包裝體系，決定了產品的安全特性，在內部出現副反應大量產氣時鋁塑復合膜熱封部位會自行破開，將壓力自動釋放，避免安全問題的進一步加劇，具備其特有的安全優勢。另外，從以下角度開展設計，可以進一步提升安全性能。

1.1 電解液設計優化

采用有機含磷化合物添加劑可以改善電池的安全性能，基本原理是阻燃添加劑受熱時，釋放出具有阻燃性能的自由基，該自由基可以捕獲氣相中的氫自由基或氫氧自由基，從而阻止這些自由基的鏈式反應，使有機電解液的燃燒無法進行或難以進行，提高鋰離子電池的安全性能。使易燃有機電解液變成難燃或不可燃，降低電池放熱值和電池自熱率，同時也提高電解液自身的熱穩定性，改善熱失控而導致的安全問題。

1.2 電解液中添加防過充添加劑

過充是電池最大的安全風險之一，采用氧化還原添加劑可以有效提升電池的抗過充性能。其原理是在鋰電池正常充電時不和電解液的任何組分發生化學或者電化學反應，在電池發生過充或者充電電壓高于電池正常工作電壓達到添加劑氧化分解電位時，添加劑在正極附近被氧化形成活性分子，活性分子通過隔膜擴散到負極再被還原形成中性分子，中性分子再擴散到正極被氧化，這個過程一直持續到電池過充電結束，并建立一個氧化還原平衡的過程，在整個過充中，氧化產物和還原產物往復反應消耗掉電解液中過剩的帶電離子和基團，最終以放熱的方式散發，從而起到保護電解液的作用。

1.3 正極材料優化

為了實現更高的比能量，高鎳三元材料的使用成為一個優先的選擇，然而，高鎳三元存在結構及熱穩定性差、電極材料/電解液界面復雜等缺點，安全挑戰極大。為了解決此安全問題，需要對正極材料進行優化改善，可以進行材料的特殊表面包覆，使用安全顆粒進行包裹以改善其安全性能。摻雜一定比例的安全性更好的材料也是一個解決方向，但這會導致比能量的下降，如何實現比能量與安全的平衡，這還需要深入的研究。

1.4 負極材料優化

硅基負極的開發是實現高能量密度電池的必經之路。目前對動力電池用硅基負極的研究集中在硅碳（Si-C）復合材料和SiO材料方面，通過結構設計、表面改性、預鋰化和材料復合等方式是解決起安全問題的考慮途徑，但是硅負極的反應機理、失效機理、改善措施等方面的系統性研究較少，需要從機理角度開展研究分析，并盡可能減少硅基負極在循環過程中的體積變化，以提高其循環壽命及安全性能。

1.5 選用高安全性的涂層隔膜

選用高安全性和熱穩定性的陶瓷涂層隔膜。當電池內部升到一定溫度時，多孔結構的隔膜會發生熔化導致微孔結構關閉，內阻迅速增加而阻斷電流通過。并且由于陶瓷層的存在，保障了隔膜在受熱時的收縮度，防止由于隔膜收縮使得電池正負極直接短路從而散發出更多的熱量導致起火等事件的發生。

2 軟包裝鋰離子動力電池系統安全設計

單體電芯的安全性是電池系統的安全性能的重要影響因素，針對單體電芯可能產生安全問題的影響因素，可以通過系統設計避免各影響因素的觸發，從而實現電池系統產品的安全。

2.1 電源模塊設計

軟包裝鋰離子電池在電芯層級的安全性毋庸置疑，但其機械強度弱，如何在成組過程中實現良好的保護，保障其機械安全及熱安全，是電池模塊設計的關鍵。目前成熟可靠的設計方法可以采用塑料支架與導熱鋁片結合的方式組成電池單元，通過塑料支架將單體電芯進行四周保護，通過導熱鋁片將單體電芯的熱量及時傳遞，通過多個單元的串并聯組合，兩端通過端面板緊固，并通過扎帶或長螺栓固定加強，組成熱管理優異的耐振動電壓模塊，以保障電池的機械安全及熱安全。

2.2 電氣系統設計

電池模塊通過電氣系統實現電氣連接，通過繼電器、保險絲、預充電回路及高壓互鎖功能接插件，實現繼電保護、過流防護、預充電、高壓互鎖等多項電氣防護功能，系統設計過程中需要關注電氣間隙及爬電距離，保障電氣安全，電氣件選型需要結合系統參數開展，并需要關注環境耐久性，目前國內尚需基于老化機理和可靠性理論開展進一步的研究，進而根據全壽命周期內的電氣安全性和可靠性來設計和驗證電氣系統的安全，以保障電池系統在全壽命周期內的安全使用。

2.3 電池管理系統設計

電池管理系統是電池監控及主動防護的關鍵部件，通過電池管理系統實時監控單體電芯的電壓、溫度、電流，并通過強大的算法實時估計電池組的SOC（核電狀態），及時向車輛發送電池組允許的最大充放電功率（或電流）信息，以保障單體電芯在安全合理的條件下使用，同時監控電池系統的絕緣電阻狀態、高壓互鎖狀態，保障系統層級的電氣安全。在出現異常情況時，電池管理系統可以控制繼電器斷開高壓回路，這是電池系統安全的重要保障。

2.4 熱管理系統設計

良好的熱管理系統可以保障單體電芯的溫度控制在合理的工作范圍內，尤其避免出現過溫情況，保證電池系統的熱安全。目前常見的設計方式有自然散熱、風冷系統和液冷系統，其中以液冷系統散熱效果最佳，可以控制溫差在3℃以內，可以兼顧散熱和加熱兩種需求，目前成為各家企業考慮的重點。為了保障電池系統在極端危險情況下的安全，熱失控防護設計也成為了必須要考慮的方向。需要通過隔熱材料將電池組分割為安全的獨立單元，當單體電芯出現熱失控時，可以阻隔熱失控的擴散傳導或延緩擴散速度，保障乘客安全。

2.5 電池組結構設計

電池系統里的各個部件，最終要通過電池組結構實現固定和集成。電池組結構設計既要保障各個部件的良好固定，保障各個部件之間的安全隔離與防護，還要保障整個電池組的機械安全，另外往往還需要實現IP67的防護要求，以保障車輛的涉水安全。實現好的結構設計，強大的有限元分析是必不可少的條件，通過有限元分析，可以用最輕量化的結構設計與材料來保障系統的耐振動、耐沖擊性能，最終還要通過振動測試、沖擊測試以及車輛的綜合耐久測試來實現全面完整的測試驗證，保障系統的機械安全。

3 結論

隨著電池技術的日益進步，鋰離子電池的比能量也越來越高，安全設計成為產品開發的關鍵，軟包裝鋰離子電池在安全方面具備其特有的優勢，但仍需在單體電芯及電池系統層級進行多方面的安全設計，以保障產品的最終安全應用，推進新能源行業健康發展。