安全性比較分析

1.在極端情況下的安全性比較

動(dòng)力鋰電池在車(chē)輛發(fā)生嚴(yán)重事故等極端條件下的安全性是人們最為關(guān)心的問(wèn)題，因?yàn)檫@直接關(guān)系到生命財(cái)產(chǎn)安全。圓柱電池容量小，通過(guò)串并組合達(dá)到動(dòng)力鋰電池組的容量、電壓的要求。以目前32650電池為例，電池容量只有5Ah。而大方型電池單體容量一般都超過(guò)幾十安時(shí)，有的達(dá)到100Ah以上。在電池出現(xiàn)碰撞、擠壓等極端危險(xiǎn)情況下，圓柱型小電池其釋放的能量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于大方型電池單體。目前沃特瑪5Ah電池的電解液只有20克，而大方型電池，如50Ah單體，其電解液量要超過(guò)200克。該方型單體電池的電解液量是小型圓柱電池的10倍以上。一旦在事故中某個(gè)單體電芯出現(xiàn)漏液，則因電解液泄漏而引起的燃燒程度也會(huì)是小型圓柱電池的10倍以上。從這方面來(lái)講，小型圓柱電池的安全性比大電池要好很多。當(dāng)小型圓柱電池遭到破壞，其燃燒的威力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于大的方型電池。通過(guò)對(duì)單個(gè)電池的分離保護(hù)，某一單體電池出現(xiàn)問(wèn)題，不會(huì)波及其他電池。通過(guò)將能量分散的方式，使電池的安全性極大提高。

在承受撞擊方面，圓柱型電池和方型電池表現(xiàn)差別較大。圓柱型電池相關(guān)于方型電池具有較好的抗形變能力，各個(gè)方向上受力均勻，形變保持能力是目前所有電芯工藝中很優(yōu)秀的，配合自主研發(fā)的安全組合蓋帽，安全性得到了極大的提高。即使在高速?zèng)_撞擠壓過(guò)程中，圓柱形電芯有一定的變形，但也不會(huì)起火燃燒。關(guān)于方型電池，面積較大的一面容易形變，在高速?zèng)_撞擠壓過(guò)程中，電芯外殼不能很好的保證電芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)，很容易導(dǎo)致內(nèi)部正負(fù)極片的錯(cuò)位短路；關(guān)于這種瞬間的沖擊，方型電芯無(wú)法迅速做出反應(yīng)。

另外，關(guān)于大的方型電芯，由于其側(cè)面面積較大，承受到其他物體撞擊的概率要高得多，因此在安全事故中，單體電芯被撞壞而造成短路的可能性要比小的圓柱電芯大很多。而關(guān)于小型圓柱電池組合，一旦電池箱受到猛烈撞擊，小型圓柱電池首先斷開(kāi)的地方可能是各個(gè)單體電芯的鉚接點(diǎn)，而由于電芯體積較小，較大的可能性是被撞散，電池組失效。這對(duì)提高動(dòng)力鋰電池組的安全性具有重大意義。因此采用小容量的圓柱型電池組合的電池組在車(chē)輛出現(xiàn)事故時(shí)，能夠供應(yīng)更長(zhǎng)的逃生時(shí)間。根據(jù)沃特瑪?shù)臏y(cè)試，電池在烈火中焚燒，電解液噴出引發(fā)劇烈燃燒的時(shí)間在10分鐘后。2.散熱方面的比較

在單體散熱方面，由于圓柱型電池和方型電池的形狀不同，散熱效果表現(xiàn)差別較大。以50Ah方型電池為例，其表面積容量比大約在1x10-3m2/Ah;而32650-5Ah圓柱電池的表面積容量比約為1.6x10-3m2/Ah;相比之下大了60%。在外界條件完全相同的情況下，圓柱型小電池在散熱方面具有天然的優(yōu)勢(shì)。

圓柱型電池在組合時(shí)，電池之間有縱向間隙，這為電池的散熱供應(yīng)天然的散熱途徑。理論上散熱截面積至少在15.9%（緊密排列）和21.9%（立方排列）。圖3為沃特瑪圓柱電池的組合結(jié)構(gòu)實(shí)物圖，可以看出組合后具有良好的散熱通道。圓柱電池組合的天然的散熱通道保證了電池的散熱效果，提高了電芯安全性。

3.安全機(jī)制比較

兩種電池結(jié)構(gòu)都具有防爆安全閥。方型電池的安全閥一般位于端側(cè)，閥面積要大于圓柱電池的安全閥。但是假如考慮到電池的容量，即單位容量的閥面積，方型電池要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于圓柱電池。一旦電池出現(xiàn)失效情況，特別是極端的撞擊情況，方型電池安全閥的有效性要落后于小型圓柱電池。圓柱電池組合蓋帽兼具防爆安全閥和電流切斷裝置CID（CurrenTInterruptDevice），如圖4所示。這一點(diǎn)在方型電池上很少應(yīng)用。當(dāng)出現(xiàn)外部短路或當(dāng)電池內(nèi)壓達(dá)到1.2MPa安全警戒值時(shí)，首先CID裝置啟動(dòng)，正負(fù)極之間斷開(kāi)，主動(dòng)切斷電流自行保護(hù)，電池內(nèi)部回路斷開(kāi)；當(dāng)電池內(nèi)壓到1.8MPa安全警戒值時(shí)，泄壓構(gòu)件安全閥會(huì)打開(kāi)，氣體排出，防止爆炸風(fēng)險(xiǎn)。目前，安全型組合蓋帽工藝成熟，使圓柱型電芯的安全性得到了很好的保證。

4.成組一致性比較

眾所周知，單體電池的一致性對(duì)電池組的壽命、安全性等各個(gè)方面指標(biāo)具有較大的影響。大方型電池生產(chǎn)工藝的復(fù)雜性決定了目前單體電池的一致性較差。在成組后電池的一致性問(wèn)題直接對(duì)安全性造成影響。因?yàn)槿萘可伲瑑?nèi)阻高的電池更多的面對(duì)過(guò)充過(guò)放帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。圓柱電池生產(chǎn)工藝成熟，電池一致性較高。在電池組合后，低容量電池出現(xiàn)的幾率較低。即使出現(xiàn)低容量電池，由于多個(gè)并聯(lián)，通過(guò)自均衡的方式最大程度上消除了不一致的影響。

5.圓柱電池安全測(cè)試

為了驗(yàn)證圓柱電池的安全性，對(duì)圓柱單體電池及電池組進(jìn)行了安全測(cè)試。圖5為圓柱型電池組針刺實(shí)驗(yàn)照片。當(dāng)鋼釘穿透電池時(shí)，電池內(nèi)電解液泄露，電池表面溫度急劇升高，電壓緩慢下降，電解液汽化冒出少量白煙，包裹電池用的絕緣塑料膠套被高溫熔化，過(guò)程持續(xù)大約10min后現(xiàn)象消失，最終短路電池電壓降為零，過(guò)程最高溫度上升到141℃。電池不爆炸，不燃燒。完全符合UL2580（及SAEJ2464）標(biāo)準(zhǔn)。圖6為圓柱型電池組撞擊測(cè)試前后的照片。電池組在遭到重物撞擊后，電池明顯受損，但電池?zé)o起火、無(wú)漏液、無(wú)冒煙或爆炸，電池電壓基本無(wú)變化。符合UL1642標(biāo)準(zhǔn)。表2為電池組進(jìn)行的安全測(cè)試項(xiàng)目。從實(shí)測(cè)結(jié)果看，圓柱型電池表現(xiàn)出良好的安全性能。圖7為更為苛刻的焚燒測(cè)試過(guò)程照片。從實(shí)測(cè)結(jié)果看，電池的防爆片開(kāi)啟的電池表面溫度在240℃左右，電池釋放出氣體，電解液局部燃燒，不出現(xiàn)爆炸現(xiàn)象?；鹧嫦绾箅姵貧んw結(jié)構(gòu)也并未遭到破壞。根據(jù)UL1642要求實(shí)驗(yàn)過(guò)程中單體電池的全部和部分不應(yīng)該穿透鋼絲網(wǎng)，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果標(biāo)明安全性達(dá)到UL標(biāo)準(zhǔn)。

目前小型圓柱電池已經(jīng)大量應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)中，為了驗(yàn)證電池在汽車(chē)事故中的安全性，對(duì)整車(chē)進(jìn)行了碰撞測(cè)試。碰撞標(biāo)準(zhǔn)按C-NCAP進(jìn)行。對(duì)該車(chē)分別進(jìn)行時(shí)速50公里與剛性固定障礙100%重疊率正面碰撞，時(shí)速56公里對(duì)可變形障礙40%重疊率的正面偏置碰撞，可變形移動(dòng)障礙時(shí)速50公里與車(chē)輛的側(cè)面碰撞。圖8為整車(chē)碰撞后的照片。從碰撞后車(chē)輛取下電池進(jìn)行檢測(cè)，電池組基本完好，無(wú)冒煙，無(wú)燃燒。整車(chē)碰撞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了小型圓柱電池應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)的安全優(yōu)勢(shì)。