圆柱形32650锂离子电池的安全性剖析

动力锂离子电池一般来说是指能够经过大电流放电给设备、器械、车辆等供给动力的锂离子电池。动力锂离子电池具有比能量高、大电流充放电、循环寿数长等特色，现已获得广泛使用。动力锂离子电池依据正极资料的不同分为三元、钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂等类型；依据外形的不同分为方型电池（prismaTIc），圆柱型电池（cylindrical）等。为进步续航路程，动力锂离子电池经过串并联组合后的能量一般较大，容量从几安时到几百安时不等，电压从十几伏到几百伏不等。随着携带能量的进步，电池潜在危险性也随之增大。因而如何进步动力锂电池的安全性成为电动轿车继续发展的重要条件。在动力锂离子电池的发展进程中，一直存在着两个发展方向。一个方向是大单体电池，经过少数并联组合；一个方向是小单体电池，经过许多并联组合。韩国LG，国内BYD为代表的公司走的是大方型道路；美国A123，国内沃特玛为代表的公司走的是小型圆柱道路。这两条道路现在没有定论，不同的动力锂电池厂家依据自己的了解选择不同的工艺道路。但是在面对安全性这一目标方面，两种工艺道路的成果差别是非常大的。本文从动力锂电池结构、功能方面，特别是安全性方面进行比照剖析，来阐述小型圆柱电池在使用于电动轿车等方面的安全优势。

电池结构、功能比照剖析

圆柱形电池和方型电池是现在业界两大干流方向。圆柱型电池的基本结构如图1所示。正负极之间由隔膜分开，经过卷绕构成卷芯。一般正负极极片焊接有正负极极耳并别离经过两侧引出。极耳焊接于正极和负极外壳。电解液加注于壳体内。图2为方型电池结构。方型电池的结构分叠片结构和卷绕结构。叠片式方型锂离子电池由n片正极片和n+1片负极片叠片组成电池芯胞，正负极片之间用隔膜离隔，别离在正、负极片的一侧预留有正、负极耳区，叠成芯胞时正、负极耳别离从芯胞两侧对称伸出。方型电池的卷绕结构和圆柱型电池的卷绕结构类似，其差别是卷心是扁平形状而非圆柱型。因为圆柱型电池和方型电池形状的不同，结构差别较大。一般状况下，圆柱型电池因为卷芯电流密度和散热的限制，容量不能做得太大。方型电池确保厚度恰当的条件下，经过增大长、宽能够进步容量。其单体容量一般能够超越圆柱型电池的10倍以上。表1为圆柱型和方型电池的功能比照。能够看出两种电池具有各自的特色。圆柱形电池结构设计简略，正负极界面严密，生产线老练，成本低，成组散热好，安全功能优异。其缺陷是内阻相对较高，成组要求高。方型电池的优势是单体容量大组合简略。其缺陷是生产工艺复杂，大容量电池单体一致性难控制。别的，方型壳体简单发生应力集中，壳体简单决裂，电解液溅出引发安全隐患。

安全性比照剖析

1.在极点状况下的安全性比照

动力锂电池在车辆发生严重事端等极点条件下的安全性是人们最为关心的问题，因为这直接关系到生命财产安全。圆柱电池容量小，经过串并组合到达动力锂电池组的容量、电压的要求。以现在32650电池为例，电池容量只要5Ah。而大方型电池单体容量一般都超越几十安时，有的到达100Ah以上。在电池呈现磕碰、揉捏等极点危险状况下，圆柱型小电池其释放的能量要远远小于大方型电池单体。现在沃特玛5Ah电池的电解液只要20克，而大方型电池，如50Ah单体，其电解液量要超越200克。该方型单体电池的电解液量是小型圆柱电池的10倍以上。一旦在事端中某个单体电芯呈现漏液，则因电解液泄漏而引起的燃烧程度也会是小型圆柱电池的10倍以上。从这方面来讲，小型圆柱电池的安全性比大电池要好许多。当小型圆柱电池遭到破坏，其燃烧的威力要远远小于大的方型电池。经过对单个电池的别离保护，某一单体电池呈现问题，不会涉及其他电池。经过将能量涣散的方法，使电池的安全性极大进步。

在承受碰击方面，圆柱型电池和方型电池体现差别较大。圆柱型电池相有关方型电池具有较好的抗形变才能，各个方向上受力均匀，形变保持才能是现在所有电芯工艺中最优异的，合作自主研制的安全组合盖帽，安全性得到了极大的进步。即使在高速抵触揉捏进程中，圆柱形电芯有必定的变形，但也不会起火燃烧。有关方型电池，面积较大的一面简单形变，在高速抵触揉捏进程中，电芯外壳不能很好的确保电芯内部结构，很简单导致内部正负极片的错位短路；有关这种瞬间的冲击，方型电芯无法敏捷做出反响。

别的，有关大的方型电芯，因为其旁边面面积较大，承受到其他物体碰击的概率要高得多，因而在安全事端中，单体电芯被撞坏而形成短路的可能性要比小的圆柱电芯大许多。而有关小型圆柱电池组合，一旦电池箱受到猛烈碰击，小型圆柱电池首先断开的地方可能是各个单体电芯的铆接点，而因为电芯体积较小，较大的可能性是被撞散，电池组失效。这对进步动力锂电池组的安全性具有重大意义。因而采用小容量的圆柱型电池组合的电池组在车辆呈现事端时，能够供给更长的逃生时间。依据沃特玛的测验，电池在烈火中燃烧，电解液喷出引发剧烈燃烧的时间在10分钟后。

2.散热方面的比照

在单体散热方面，因为圆柱型电池和方型电池的形状不同，散热用途体现差别较大。以50Ah方型电池为例，其表面积容量比大约在1x10-3m2/Ah;而32650-5Ah圆柱电池的表面积容量比约为1.6x10-3m2/Ah;相比之下大了60%。在外界条件完全相同的状况下，圆柱型小电池在散热方面具有天然的优势。

圆柱型电池在组合时，电池之间有纵向间隙，这为电池的散热供给天然的散热途径。理论上散热截面积至少在15.9%（严密摆放）和21.9%（立方摆放）。图3为沃特玛圆柱电池的组合结构实物图，能够看出组合后具有良好的散热通道。圆柱电池组合的天然的散热通道确保了电池的散热用途，进步了电芯安全性。

3.安全机制比照

两种电池结构都具有防爆安全阀。方型电池的安全阀一般位于端侧，阀面积要大于圆柱电池的安全阀。但是假如考虑到电池的容量，即单位容量的阀面积，方型电池要远远小于圆柱电池。一旦电池呈现失效状况，特别是极点的碰击状况，方型电池安全阀的有效性要落后于小型圆柱电池。圆柱电池组合盖帽兼具防爆安全阀和电流堵截设备CID（CurrenTInterruptDevice），如图4所示。这一点在方型电池上很少使用。当呈现外部短路或当电池内压到达1.2MPa安全警戒值时，首先CID设备发动，正负极之间断开，自动堵截电流自行保护，电池内部回路断开；当电池内压到1.8MPa安全警戒值时，泄压构件安全阀会翻开，气体排出，防止爆破危险。现在，安全型组合盖帽工艺老练，使圆柱型电芯的安全性得到了很好的确保。

4.成组一致性比照

众所周知，单体电池的一致性对电池组的寿数、安全性等各个方面目标具有较大的影响。大方型电池生产工艺的复杂性决议了现在单体电池的一致性较差。在成组后电池的一致性问题直接对安全性形成影响。因为容量少，内阻高的电池更多的面对过充过放带来的危险。圆柱电池生产工艺老练，电池一致性较高。在电池组合后，低容量电池呈现的几率较低。即使呈现低容量电池，因为多个并联，经过自均衡的方法最大程度上消除了不一致的影响。

5.圆柱电池安全测验

为了验证圆柱电池的安全性，对圆柱单体电池及电池组进行了安全测验。图5为圆柱型电池组针刺试验相片。当钢钉穿透电池时，电池内电解液走漏，电池表面温度急剧升高，电压缓慢下降，电解液汽化冒出少数白烟，包裹电池用的绝缘塑料胶套被高温熔化，进程继续大约10min后现象消失，终究短路电池电压降为零，进程最高温度上升到141℃。电池不爆破，不燃烧。完全契合UL2580（及SAEJ2464）规范。图6为圆柱型电池组碰击测验前后的相片。电池组在遭到重物碰击后，电池显着受损，但电池无起火、无漏液、无冒烟或爆破，电池电压基本无变化。契合UL1642规范。表2为电池组进行的安全测验项目。从实测成果看，圆柱型电池体现出良好的安全功能。图7为更为苛刻的燃烧测验进程相片。从实测成果看，电池的防爆片敞开的电池表面温度在240℃左右，电池释放出气体，电解液部分燃烧，不呈现爆破现象。火焰熄灭后电池壳体结构也并未遭到破坏。依据UL1642要求试验进程中单体电池的全部和部分不应该穿透钢丝网，从试验成果标明安全性到达UL规范。

现在小型圆柱电池现已许多使用于电动轿车中，为了验证电池在轿车事端中的安全性，对整车进行了磕碰测验。磕碰规范按C-NCAP进行。对该车别离进行时速50公里与刚性固定妨碍100%堆叠率正面磕碰，时速56公里对可变形妨碍40%堆叠率的正面偏置磕碰，可变形移动妨碍时速50公里与车辆的旁边面磕碰。图8为整车磕碰后的相片。从磕碰后车辆取下电池进行检测，电池组基本无缺，无冒烟，无燃烧。整车磕碰试验验证了小型圆柱电池使用于电动轿车的安全优势。