一种锂原电池组的安全性设计_陈亚辉.pdf

12 电子技术 第 52 卷 第 5 期（总第 558 期）2023 年 5 月Electronics 电子学摘要：阐述影响锂原电池组安全性的因素，基于电池材料、电气保护、机械保护和生产工艺对锂原电池组进行安全性设计。安全性试验表明，此产品的安全性设计符合要求。关键词：锂原电池组，安全性设计，海洋装备。中图分类号：TN86，TM912文章编号：1000-0755(2023)05-0012-02文献引用格式：陈亚辉.一种锂原电池组的安全性设计J.电子技术,2023,52(05):12-13.（3）固体电解质电池，这类电池有极长的贮存寿命，贮存时间可超过20年，但只能以微安级的极低放电率放电。工作机理。锂原电池的放电机理是锂被氧化生产锂离子，并释放一个电子，电子通过外部电路移动到正极，在正极上该电子与正极活性物质反应，使得正极活性物质被还原，同时锂离子通过电解质迁移到正极，并在正极上生成一种锂化合物。3 影响锂电池安全性的主要因素电池材料。锂原电池的中选用的正负极材料，不同的材料有不同的化学特性，影响到电池工作的安全2-6。电气保护。在电池组设计中增加温度过高后形成断路的温度保护装置，防止反向充电的二极管保护电路，防止过流的保险丝或热敏电阻等。机械保护。电池的外壳必须满足其使用的环境条件，电池必须满足相应的振动、冲击、高温和低温等条件。同时，外壳在电池工作时有良好的散热性，以及在异常情况下能释放电池产生的气体。生产工艺。影响电池的安全生产工艺主要包含：单体电池的安全性、单体的一致性筛选、电池成组的工艺等。4 锂原电池组安全性设计根据产品应用环境，在分析其安全性影响因素的基础上，对锂原电池组进行安全性设计。0 引言随着时代的发展，对相关的海洋装备的工作时间、工作功率、体积和重量提出了更高的要求，目前使用的海水电池的技术水平难以满足要求。1 研究背景相比于现有的海水电池，锂原电池具有比能量高、功率性能好、体积小、重量轻等特点，能较好地克服海水电池能量密度低和功率性低的不足之处，具有贮存寿命长，免维护等特点。随着锂原电池在各行各业大批量的应用，近年来时有一些安全性事故报道。安全性问题是锂原电池应用的核心问题之一。本文通过分析影响锂原电池安全性的因素，提出相应的安全性设计。2 锂原电池类型和工作机理锂原电池分类。一般情况下锂原电池的电解质采用非水溶剂，根据使用的正极活性物质和电解质类型，锂原电池分为以下几类1。（1）可溶正极电池，这类电池的正极材料选用液体或气体，如二氧化硫和亚硫酰氯。他们可溶于电解质，或作为电解质溶剂。这类电池的工作取决于锂负极表面保护层的形成，锂表面和正极活性物质之间的反应产生表面保护层，该表面保护层能阻止正负极间的进一步化学反应（自放电），至少可将它们的反应速率降至极低。（2）固态正极电池，它是采用固体物质作为正极。由于正极活性物质是固体，电池内一般无压力形成，从而显示不必实施气密性密封的优点。但它却不具备可溶正极电池的高放电率的性能。一种锂原电池组的安全性设计 陈亚辉（中国船舶集团第七一五研究所，浙江 310023）Abstract This paper describes the factors affecting the safety of lithium original battery pack,and designs the safety of lithium original battery pack based on battery materials,electrical protection,mechanical protection and production process.The safety test shows that the safety design of this product meets the requirements.Index Terms lithium original battery pack,safety design,marine equipment.Design on Safety of a Lithium Original Battery Pack CHEN Yahui(715 Research Institute of CSSC,Zhejiang 310023,China.)作者简介：陈亚辉，中国船舶集团第七一五研究所，工程师，硕士；研究方向：水声装备。收稿日期：2022-12-20；修回日期：2023-05-12。电子技术 第 52 卷 第 5 期（总第 558 期）2023 年 5 月 13Electronics 电子学材料安全设计选型。与Li-SO2和Li-SOCl2相比较，锂锰电池具有更好的功率放电性能和更好的本征安全性。（1）在较高功率放电条件下（0.05C），能量密度优于后者（图1）；（2）电池内阻较小，电池放电所产生的热量小于后者；（3）单体电池一致性和可靠性优于锂氩和锂/二氧化硫体系，集成后的电池组一致性和可靠性提高。（4）锂氩和锂/二氧化硫体系，长储后激活需要激活，未激活的电池不但倍率性能差，而且存在过热热失控的风险，锂锰电池体系无滞后，无需要激活，安全性更高。电气保护。（1）短路保护设计。当电池组外部短路时，电池会产生大量的热量，导致电池外壳鼓胀，电池的内部压力不能有效泄放，有可能会引出电池爆喷。电池组外部短路保护通过增加热敏电阻对电池组进行保护，当发生外部短路时，热敏电阻能有效地切断回路，使得电池组断开输出，在短路解除后一段时间可恢复电池组供电。（2）防反充设计。当电池组出现非正常充电时，电池会产生热量，电解液会分解，达到一定压力后，电池会泄放，有可能产生安全性事故。电池组反防充设计是在电池回路中增加一个反向二极管，防止外部电源给锂原电池组进行充电。（3）过温设计。当电池组在放电过程中，电池产生的热量不能有效排出，当热量累积到一定程度会引起电池鼓胀，电池的内部压力不能有效泄放，有可能会引出电池爆喷。过温设计是在相邻的电池中增加温度熔断器，当温度熔断器检测到电池的温度超过其设计值时，温度熔断器会自行熔断，断开电路。能够保证在用于在贮存或放电过程中，当电池内部温度过高时及时切断主回路，避免放电反应的继续进行。机械保护。电池组的结构如图2所示。通过铆接板将电池单体按照设计连接组成电池单元，将电池单元布置于电池组外壳中。电池单元两侧电池单体的中间位置布置温度熔断器，温度熔断器与电池单体直接贴合，采集电池单体温度。导线放置于铝制外壳中后，用导热硅胶填充外壳内其余空隙，固定电池单元、电路板及其他器件。底部有出线孔和走线槽。出线孔为非密封设计，当电池组内部压力过大时可及时泄放。生产工艺。（1）过放电设计。采用负极（锂带）限容设计匹配，即正极二氧化锰设计容量大于负极锂带设计容量，从设计上防止电池过放电过程中正极无法嵌入锂离子导致锂树枝状结晶体的形成，刺穿隔膜导致正负极短路，提高电池过放电的安全性。（2）极片套隔膜袋设计。隔膜袋采用三边封口，一边开口的方式，将极片装入隔膜袋中，极片处于封闭环境中，从设计上有效避免正负极片与隔膜由于对齐度尺寸错位偏差导致正负极短路，发生热失控导致安全事故发生。（3）电芯叠片工艺设计。电芯卷绕后通过外力压平后装入铝塑膜袋。由于卷绕式结构的特点，电芯两侧边缘位置的电极存在较大的曲率，正负极极片受到应力产生形变，易产生内部微短路点，放电过程中电流分布不均。该产品采用的是叠片式电芯工艺，不存在电芯边缘弯曲的问题，放电过程中应力在电极内部分布均匀，一致性好，提升电池结构稳定性和安全性。5 结语本文针对锂原电池的工作机理，在分析影响锂原电池组使用安全性因素的基础上，对锂原电池组的安全性设计中重点实现材料安全设计选型、电气设计保护、机械设计保护和生产工艺设计保护。锂原电池组已通过相关的安全性试验和环境试验性试验。同时与整机联调试验效果良好。参考文献1 托马斯 B.雷迪,汪继强.电池手册M.北京：化学工业出版社，2017.2 李节宾,孟海军,皮正杰,王博,吕斌.锂原电池应用现状及发展趋势J.电源技术,2018,42(05):725-727.3 郑宣佩,王敏.锂原电池安全性设计研究进展J.船电技术,2017,37(01):17-19+23.4 马晨翔,许曼佳,马亚明,孙茹,王莹澈.基于有限元分析仿真的锂原电池结构优化方法J.探测与控制学报,2022,44(01):72-76+81.5 徐良帆.高比能锂原电池的研究D.福建：厦门大学,2018.6 吴铭.军用电子设备用高比能锂原电池研究D.湖南：中南大学,2014.图2 电池组结构图图1 几种锂电池放电性能比较