电芯膨胀力控制及模组膨胀空间的设计

电芯膨胀力控制及模组膨胀空间的设计目录

CONTENTS研究背景12345模组膨胀空间的设计膨胀力产生原因展望电芯膨胀力控制第一部分安全事故回顾电芯膨胀的后果研究背景安全事故回顾Partone电芯膨胀的后果Parttwo据科技媒体报道，第三方测评机构Instrumental出具三星Note7爆炸的调查报告，爆炸的原因在于机身激进的设计。在设计Note7时，希望尽可能增加电池容量，但在设计电池仓的时候，电池仓的空间与电池之间过分紧密。导致电池有几率在日常使用之中被压迫导致内部短路，从而出现发热和燃烧。2019年5月16日某品牌汽车起火事故Q1：召回声明里提及的安全隐患是如何发生的？A1：该事故车辆模组内的电压采样线束存在由于个别走向不当而被模组上盖板挤压的可能性。在极端情况下，被挤压的电压采样线束表皮绝缘材料可能发生磨损，从而造成短路，存在安全隐患。Q2：线束磨损所导致的问题为什么建议用户SOC降到90%？A2：SOC越低，电芯膨胀程度就越低，线束受损的可能性也就越低。安全事故回顾Partone电芯膨胀的后果Parttwo电芯膨胀产生膨胀力，若对膨胀力处理不当会给电芯和模组带来危害：1）影响性能：电芯内部压力变大，电芯的性能和寿命会受到影响；安全事故回顾Partone电芯膨胀的后果Parttwo2）影响安全：模组设计时若膨胀力处理不当，极端情况下会出现结构变形、焊接失效等风险甚至破坏结构框架。焊接失效焊接失效结构变形第二部分材料结构变化应用条件膨胀力产生原因膨胀原因锂电池膨胀的原因分为两类，一是材料脱嵌锂导致材料结构发生变化而引起的可逆膨胀；二是由于应用条件导致SEI膜增厚和产气等不可逆膨胀。材料结构变化正负极脱嵌锂应用条件SEI膜增厚、产气膨胀力产生原因Partone材料结构变化Parttwo应用条件Partthree膨胀力产生原因Partone材料结构变化Parttwo应用条件Partthree石墨活性物质NCM-333K+石墨K-0~100%SOC下晶胞体积变化率-1%+10%~12%附着于负极表面SEI膜不断增厚，导致负极体积膨胀，进而表现为软包锂电池的膨胀现象。B产气导致的不可逆膨胀SEI膜增厚导致的不可逆膨胀应用条件A膨胀力产生原因Partone材料结构变化Parttwo应用条件Partthree产气是加剧锂电池膨胀的最主要原因，引起电芯胀气的本质是电解液发生分解所致，如电解液杂质，电解液电化学窗口太低等。第三部分膨胀力的测试方法选取低膨胀材料体系电芯膨胀力控制选取合理的SOC区间选取合理的电池倍率选取合理的初始压力VS恒定距离恒定压力加压夹具数字显示屏测试方法Partone低膨胀材料Parttwo合理的SOCPartthree合理的倍率Partfour合理的初始压力Partfive负极为不定型碳材料，整体膨胀较小，4.5C时仅有0.6%左右，变速率为0.48μm/SOC；负极为石墨，整体膨胀为2%左右，由于石墨嵌锂时层间化合物形成规律导致其存在低膨胀区间。不定型碳石墨充电放电测试方法Partone低膨胀材料Parttwo合理的SOCPartthree合理的倍率Partfour合理的初始压力Partfive测试方法Partone低膨胀材料Parttwo合理的SOCPartthree合理的倍率Partfour合理的初始压力Partfive电芯在充电或放电过程中

都存在一段形变/应力变

化平缓的SOC区间；减小充电上限电压可降低电池应力。充电放电ü

随充放电倍率的增大，电芯的膨胀力增加；ü

电芯在4C充电时由于电流过大，对电芯造成不良影响；因此电池应用时需要选择合理的倍率。0.3C4C测试方法Partone低膨胀材料Parttwo合理的SOCPartthree合理的倍率Partfour合理的初始压力Partfive压力增大导致隔膜闭孔阻碍锂离子传输；压力增大导致析锂增多；合适的初始压力能够提高电池的循环性能。测试方法Partone低膨胀材料Parttwo合理的SOCPartthree合理的倍率Partfour合理的初始压力Partfive隔膜中等压力不同压力下电池拆解对比第四部分膨胀空间缓冲棉选型结构件强度与刚度电池模组膨胀空间的设计电芯膨胀不仅影响电芯使用寿命和性能，在寿命末期，由于电芯膨胀造成模组结构机械安全失效，进而引发热失控风险，更是我们需要关注的问题。解决方案：通过膨胀空间设计、缓冲棉选型、结构件强度和强度三者紧密联系，研究三者的辩证关系，从而获得合理的膨胀空间设计。膨胀空间缓冲棉选型结构件强度与刚度结构件强度与刚度 缓冲棉的选择 预留膨胀空间Part

o

e Parttwo Partth

ee电芯间空隙自由空间1mm中间大空隙自由空间2mm在电芯之间预留膨胀空间用于吸收电池的膨胀。电芯间隙自由空间1.4mm电芯间隙自由空间0.4mm膨胀空间Partone缓冲棉选型Parttwo结构件强度与刚度Partthree膨胀空间Partone缓冲棉选型Parttwo结构件强度与刚度Partthree通常设置缓冲泡棉吸收电池的膨胀，要基于理论计算和仿真分析确定泡棉的规格，再结合实验验证泡棉选型的合理性。一般情况下，根据模组膨胀空间确定泡棉厚度、根据泡棉压缩性能曲线和结构件受压变形曲线最终确定缓冲泡棉的选型。焊接强度泡棉压缩性能曲线外包络变形量模组装配尺寸链电芯膨胀率由泡棉压缩性能曲线和膨胀空间确定模组外包络单边压强-位移曲线由有限元计算确定模组外包络单边压强-位移曲线模组焊接强度校核模组外包络位移结果膨胀空间Partone缓冲棉选型Parttwo结构件强度与刚度Partthree通过CAE方法校核结构件强度和刚度。由膨胀空间、缓冲棉选型、模组外包络的相互辩证关系，最终确定模组外包络所受压力，通过CAE方法校核结构件及其焊接的强度和刚度。第五部分展望CTP结构电芯膨胀怎么解决？电池全寿命周期内安全可靠CTP结构电芯膨胀怎么解决？ 电池全寿命周期内安全可靠Partone Parttwo随着CTP大模组结构的广泛应用，相对标准模组，CTP大模组长度更长，刚度相对较差，更需要广泛关注电芯膨胀力。目前CTP结构解决电芯膨胀问题主要措施有以下几点：1、电芯之间预留膨胀空间或采用泡棉吸收；2、通过绑带式结构或者穿杆式结构约束电芯膨胀；3、通过端板和中间端板的固定结构约束电芯膨胀，同时增强模组刚度；4、电芯底部粘胶约束电芯膨胀