鋰離子電池溫度試驗中漏液問題的分析

鋰離子電池具有能量密度大、環境污染小等優點^[1], 研究和應用較廣泛。鋰離子電池的安全性涉及許多因素, 已引起廣泛關注, 相關報道也較多^[2,3]。

本文作者按照ST/SG/AC.10/11/Rev.4 38.3《世界關于危險貨物運輸的建議書 標準和試驗手冊》 (以下簡稱UN38.3標準) , 對轄區內的鋰離子電池制造廠家的產品及進口的單體電池原材料進行了航空運輸條件檢測。通過對鋰離子電池結構的研究, 對電池在溫度試驗中發生漏液現象的原因進行了分析。

1 實驗

1.1 儀器與材料

實驗電池為兩家鋰離子電池制造廠家 (A公司, 轄區內制造;B公司, 進口) 生產的單體鋰離子電池。

1.2 實驗方法

按照UN38.3標準進行溫度試驗。

溫度測試條件:試驗電池和電池組分別在 (75±2) ℃和 (-40±2) ℃下存放至少6 h, 兩個試驗溫度之間的大時間間隔為30 min, 重復10次后, 將所有試驗電池和電池組在 (20±5) ℃下存放24 h。對于大型電池和電池組, 暴露于試驗溫度的時間至少應為12 h。

2 結果與討論

2.1 檢測結果

A公司送檢的3.7 V/120 mAh聚合物鋰離子電池在溫度試驗后, 20只樣品電池中有5只的質量損失超過2% (標準規定) ——其中1只電池發生漏液和鼓脹現象, 1只電池的電壓降為0 V并出現鼓脹 (見圖1a) 。

B公司送檢的3.8 V/570 mAh鋰離子電池在溫度試驗后, 20只樣品電池中有3只發生漏液 (見圖1b) ——其中1只電池的質量損失超過2%, 2只電池的電壓由4.12 V降為約2.50 V。根據UN38.3標準的規定, 這兩批樣品不合格。

圖1 溫度試驗后的電池發生漏液的圖片 Fig.1 The photos of leakage of batteries after thermal test   下載原圖

2.2 原因分析

電池發生漏液, 與制造工藝有關。在電池制造的過程中, 若發生以下問題, 就容易造成電池漏液:焊接電池外殼與蓋帽時, 焊接不牢固、不密封, 有漏焊、虛焊, 焊縫有裂縫、裂口等問題;鋼珠封口時, 鋼珠大小不合適, 鋼珠材質與蓋帽材質不相同;蓋帽的正極鉚接不緊密, 有間隙, 且絕緣密封墊的彈性不合適, 不耐腐蝕, 易老化。

2.2.1 A公司樣品原因分析

A公司送檢的電池在生產工藝中存在的問題, 是溫度試驗后發生鼓脹和漏液的主要原因:電池頂端端口的設計問題, 造成頂端塑膠套與鋁塑膜之間的結合力降低, 使電池在溫度循環試驗后發生微漏液現象。圖2是頂端端口的原設計及在溫度實驗之后的改進設計示意圖。

圖2 頂端端口的原設計及改進設計的示意圖 Fig.2 The design of hermetic port before and after the improvement   下載原圖

樣品電池在生產過程中, 正極極耳未粘貼PI膠帶, 焊接以及裁切處可能有微小毛刺, 使電池出現微短路, 在極限情況 (比如溫度實驗) 下造成電池內部短路, 表現為電壓為0 V或接近0 V, 同時電池內部短路, 造成電解液分解等化學反應并產生大量的熱量, 表現為電池氣脹。

A公司在工藝改進后 (在正極片上粘貼PI膠帶) 重新送樣送檢, 通過了溫度循環測試。圖3為電池的正極片改進前后的解剖圖。

2.2.2 B公司樣品原因分析

B公司電池樣品在溫度試驗后發生漏液。解剖發現:電池絕緣板變形 (見圖4和圖5) 。這是電池在組裝過程中, 受力不均所致, 漏液位于PIN部絕緣板處。

3 小結

依據UN 38.3標準的要求, 對商用鋰離子電池產品進行

圖3 改進前后電池 (A公司) 的正極片解剖圖 Fig.3 The anatomical photograph of cathode plate before and after the improvement of battery (company A)   下載原圖

圖4 溫度試驗后的漏液電池 (B公司) 解剖圖 Fig.4 The anatomical photograph of the leaking battery (Company B) after thermal test   下載原圖

圖5 電池 (B公司) 分解后的絕緣板照片 Fig.5 The photographs of the insulating plates of the battery (Company B)   下載原圖

檢測, 試驗結果表明:鋰離子電池生產廠家要進一步完善和改進生產工藝, 才能保證商用鋰離子電池的安全性能