方形鋰電池，做大容量引發的技術特性

04-13

本文主要介紹方形鋰電池基本結構，優缺點，典型模組；電池做大以後側面鼓脹問題及應對，散熱不良問題及應對。共3500字，大約9分鐘可以讀完。

方形電池基本結構

如上面爆炸圖所示，一個典型的方形鋰電池，主要組成部件包括：頂蓋，殼體，正極板、負極板、隔膜組成的疊片或者卷繞，絕緣件，安全組件等。其中，紅圈中的兩個是安全結構，NSD針刺安全裝置；OSD過充保護裝置。

針刺安全保護裝置(NSD，Nail Safety Device)。這是在卷芯的最外面加上了金屬層，例如銅薄片。當針刺發生時，在針刺位置產生的局部大電流通過大面積的銅薄片迅速把單位面積的電流降低，這樣可以防止針刺位置局部過熱，緩減電池熱失控發生。

過充安全保護裝置(OSD，Overcharge Safety Device)，目前這個安全設計在很多電池上都能看到。一般是一個金屬薄片，配合fuse使用，fuse可以設計到正極集流體上，過充時電池內部產生的壓力使得OSD觸發內部短路，產生瞬間大電流，從而使Fuse熔斷，從而切斷電池內部電流迴路。

殼體一般為鋼殼或者鋁殼，隨著市場對能量密度的追求的驅動以及生產工藝的進步，鋁殼逐漸成為主流。

方形電池特點

方形電池是國內較早推廣的一種動力電池形式。2016年數據顯示，國內圓柱、軟包、方形鋰電池產量分別為13.92GWh、21.64GWH、28.14GWh，佔比分別為21.85%、33.97%、44.17%。方形電池重新獲得了市場的重視。

優點，方形電池封裝可靠度高；系統能量效率高；相對重量輕，能量密度較高；結構較為簡單，擴容相對方便，是當前通過提高單體容量來提高能量密度的重要選項；單體容量大，則系統構成相對簡單，使得對單體的逐一監控成為可能；系統簡單帶來的另外一個好處是穩定性相對好。

缺點，由於方形鋰電池可以根據產品的尺寸進行定製化生產，所以市場上有成千上萬種型號，而正因為型號太多，工藝很難統一；生產自動化水平不高，單體差異性較大，在大規模應用中，存在系統壽命遠低於單體壽命的問題。

說到這裡，不能不提一下2017年7月頒布，今年2月正式實施的國家推薦標準《GB/T 34013-2017 電動汽車用動力蓄電池產品規格尺寸》，其中針對方形電池，給出了8個系列的尺寸，如下圖和下表所示。

個人覺得，對電芯規格尺寸做出引導，短期也許沒有特別明顯的效果，甚至有人覺得這個時候給出指導意見，會束縛行業發展，而改變產品尺寸，對電芯生產來說，還不僅僅是工裝模具的問題，影響甚大。但作為一個推薦標準，只要能夠給籌備新生產能力和做產線調整的廠家一個傾向，長期來看，必然對規格尺寸逐漸的向系列化方向發展有推動作用。而電芯和模塊的一致性，是真正實現梯次利用的前提。至於技術路線在今後可能出現跨越，其實並不影響沒有出現跨越之前向可見目標前進的努力。

主要廠家

剛剛在「電池中國」看到兩張表格，國內主要廠商信息都在這裡了。

數據來源：動力電池應用分會研究部整理

國外的主要廠家三星SDI，正極材料主要採用NCA和NCM，方形鋁殼。著名案例寶馬i3。三星官網顯示的方形電池單體。產品包括高能量的BEV(純電動)60Ah、94Ah電池； PHEV(插電式混合電動車)26Ah、37Ah電池(26Ah會逐漸被37Ah取代)；HEV(混合電動車)5.2Ah、5.9Ah電池；高功率電池(4.0Ah、11Ah)，共4個系列。

典型方形電池模組

下圖是三菱2011年的i-MiEV電池模塊， PCB板採集cell的電壓、溫度，兩端通過螺栓緊固。cell之間是最常見的busbar和螺栓連接方式。

接下來是2012MY豐田普瑞斯PHEV電池模塊，採用線束（現在來看這種線束的採集方式，感覺在有些場合下是十分麻煩的，存在隱患）來採集cell信息，也是採用螺栓的連接方式，不過增加了橙色的部分進行保護。

下面是2014MY大眾捷達HEV的電池模塊，通過側面的兩根壓條來緊固模塊，端板外側加上塑料蓋板進行絕緣。

大眾eGolf2015MY電池模塊，端板的設計的功能比較豐富，減重的同時滿足了結構強度需求，還達到了組裝時的需求，採用PCB板採集cell信息，模塊兩端只需要留出低壓接頭（現在採用這種方式的模塊越來越多了）。

下圖是奧迪2014年的一個PHEV2的模塊設計概念圖，匹配液冷板的設計，從爆炸圖可以看到上面看不到的一些內部結構。

寶馬i3，使用三星SDI方形電芯。電池包共有8個模組組成，每個模組有12個電芯串聯，共計96個電芯串聯，183km續航版本使用94Ah電芯，如下圖所示。（說明一下，下圖不是現在傳說中的那個最新版，網上流傳的視頻顯示最新版的pack箱體已經與前面版本不同。）鋁焊接模組殼體，四角有安裝過孔固定到pack箱體內，結構簡單，有利於實現自動化製造。

方形電池把容量做大，相對圓柱電芯要容易，在提升容量的過程中，受到的限制比較少。但隨著單體體積的增加，也出現了一些問題，比如側面鼓脹嚴重，散熱困難且不均勻性增大。

方形電池典型問題和應對

1）側面鼓脹問題

鋰離子電池在充放電過程中電池的內部存在一定的壓力(經驗數據0.3～0.6 MPa)，在相同的壓力下，受力面積越大，電池殼壁的變形越嚴重。引起電池膨脹的重要原因：化成時形成SEI 的過程中產生氣體，電池內氣壓升高，由於方形電池平面結構耐壓能力差，因此造成殼體變形；充電時電極材料晶格參數發生變化，造成電極膨脹，電極膨脹力作用於殼體，造成電池殼體變形；高溫貯存時，少量電液分解及由於溫度效應氣

體壓力增大，造成電池殼體變形。在以上三個原因中電極膨脹而引起的殼體膨脹是最主要原因。

方形電池的鼓脹問題是一個通病，特別是大容量方形鋰離子電池更為嚴重，電池鼓脹會造成電池的內阻增加、局部的電液枯竭甚至殼體破裂，嚴重地影響了電池的安全性及循環壽命。

張超等人給出的方案，利用小結構形式，加強殼體強度；優化排列方式兩個角度，解決方形電池鼓脹問題。

加強殼體強度，把原來的平面殼體設計成加強結構，並以向殼體內部打壓的方式，測試殼體加強結構設計的效果，按照固定方式的不同（固定長度方向和固定寬度方向），分別測試。可以明顯觀察到加強結構的作用。以寬度固定情形為例，在0.3Mpa壓力下，有加強結構的變形量為3.2mm，而沒有加強結構的殼體變形量達到4.1mm，變形量降低了20%以上。

寬度固定條件下打壓：

長度固定條件下打壓：

優化模組中電芯排列方式，研究人員對比了兩種排列型式，如下圖所示，變形量如下面表格所示。對比發現，排列方式Ⅱ的厚度方向變形量明顯小於排列方式Ⅰ。

2）大型方形電池散熱性能變差

隨著單體體積的增大，電池內部發熱部分距離殼體的距離越來越長，傳導的介質、界面越來越多，使得散熱變得困難，並且在單體上，熱量分布不均的問題越來越明顯。

吳偉雄等人進行了一項研究，實驗採用3.2 V/12 Ah 的方形鋰離子電池，其基數如表1 所示。電池充放電設備為新威CT-3001W-50V120ANTF,測試過程中環境溫度為31 ℃，散熱方式為空氣冷卻，用溫度巡檢儀記錄電池的溫度變化。實驗步驟：

1) 壓充電，用12A 電流給電池充電至充電截止電壓3.65V止電流1.8A；

2) 擱置，充電後擱置1 小時以使電池穩定；

3) 恆流放電，以不同的倍率放電至放電截止電壓2 V。其中，放電倍率分別按為1C、2C、3C、4C、5C、6C 設定。

如下圖所示，為不同放電倍率下電池表面的溫度變化，可以看到，隨著倍率增加，溫度也越來越高，各放電倍率對應的電池表面最高溫度分別為38.1、48.3、56.7、64.4、72.2、76.9 ℃。3C 倍率放電時，最高溫度已超過50 ℃。6C 時溫度達到了76.9 ℃且超過50 ℃的時間為470 s，佔到了整個放電過程的三分之二，這對於電池安全持續工作非常不利。

利用相變材料作為導熱介質，附著在單體電芯表面，散熱效果得到大幅度改善。

施加導熱材料後的溫升對比如下圖所示：

另外，也有方案，將導熱材料與水冷相結合，讓水冷系統把導熱材料吸收過來的熱量傳遞到系統外部去，其形式如下圖所示：

鋰電池系統，對於防止熱失控問題，最理想的就是能夠直接檢測到每一顆電芯的參數（最基本的溫度，電壓、電流等），這樣的話，即使沒有新型物美價廉功能好的新型感測器出現，對熱失控的預警和處置也都會成為可能。系統內電芯數量少，這應該是方形電池重要的競爭力之一。

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本文由「動力電池技術」整理自OfWeek鋰電網，電池中國，129Lab，吳偉雄的文章「基於相變材料的方形動力電池散熱模擬研究」和張超的文章「一種耐變形的方形鋰離子電池設計」，其餘圖片來自互聯網公開資如有版權問題，請聯繫微信號：NEVKEPU，以便及時刪除。本文只做學習交流之用，切勿用於商業用途。