锂离子电池温度试验中漏液问题的分析

锂离子电池具有能量密度大、环境污染小等优点^[1], 研究和应用较广泛。锂离子电池的安全性涉及许多因素, 已引起广泛关注, 相关报道也较多^[2,3]。

本文作者按照ST/SG/AC.10/11/Rev.4 38.3《世界关于危险货物运输的建议书 标准和试验手册》 (以下简称UN38.3标准) , 对辖区内的锂离子电池制造厂家的产品及进口的单体电池原材料进行了航空运输条件检测。通过对锂离子电池结构的研究, 对电池在温度试验中发生漏液现象的原因进行了分析。

1 实验

1.1 仪器与材料

实验电池为两家锂离子电池制造厂家 (A公司, 辖区内制造;B公司, 进口) 生产的单体锂离子电池。

1.2 实验方法

按照UN38.3标准进行温度试验。

温度测试条件:试验电池和电池组分别在 (75±2) ℃和 (-40±2) ℃下存放至少6 h, 两个试验温度之间的大时间间隔为30 min, 重复10次后, 将所有试验电池和电池组在 (20±5) ℃下存放24 h。对于大型电池和电池组, 暴露于试验温度的时间至少应为12 h。

2 结果与讨论

2.1 检测结果

A公司送检的3.7 V/120 mAh聚合物锂离子电池在温度试验后, 20只样品电池中有5只的质量损失超过2% (标准规定) ——其中1只电池发生漏液和鼓胀现象, 1只电池的电压降为0 V并出现鼓胀 (见图1a) 。

B公司送检的3.8 V/570 mAh锂离子电池在温度试验后, 20只样品电池中有3只发生漏液 (见图1b) ——其中1只电池的质量损失超过2%, 2只电池的电压由4.12 V降为约2.50 V。根据UN38.3标准的规定, 这两批样品不合格。

图1 温度试验后的电池发生漏液的图片 Fig.1 The photos of leakage of batteries after thermal test   下载原图

2.2 原因分析

电池发生漏液, 与制造工艺有关。在电池制造的过程中, 若发生以下问题, 就容易造成电池漏液:焊接电池外壳与盖帽时, 焊接不牢固、不密封, 有漏焊、虚焊, 焊缝有裂缝、裂口等问题;钢珠封口时, 钢珠大小不合适, 钢珠材质与盖帽材质不相同;盖帽的正极铆接不紧密, 有间隙, 且绝缘密封垫的弹性不合适, 不耐腐蚀, 易老化。

2.2.1 A公司样品原因分析

A公司送检的电池在生产工艺中存在的问题, 是温度试验后发生鼓胀和漏液的主要原因:电池顶端端口的设计问题, 造成顶端塑胶套与铝塑膜之间的结合力降低, 使电池在温度循环试验后发生微漏液现象。图2是顶端端口的原设计及在温度实验之后的改进设计示意图。

图2 顶端端口的原设计及改进设计的示意图 Fig.2 The design of hermetic port before and after the improvement   下载原图

样品电池在生产过程中, 正极极耳未粘贴PI胶带, 焊接以及裁切处可能有微小毛刺, 使电池出现微短路, 在极限情况 (比如温度实验) 下造成电池内部短路, 表现为电压为0 V或接近0 V, 同时电池内部短路, 造成电解液分解等化学反应并产生大量的热量, 表现为电池气胀。

A公司在工艺改进后 (在正极片上粘贴PI胶带) 重新送样送检, 通过了温度循环测试。图3为电池的正极片改进前后的解剖图。

2.2.2 B公司样品原因分析

B公司电池样品在温度试验后发生漏液。解剖发现:电池绝缘板变形 (见图4和图5) 。这是电池在组装过程中, 受力不均所致, 漏液位于PIN部绝缘板处。

3 小结

依据UN 38.3标准的要求, 对商用锂离子电池产品进行

图3 改进前后电池 (A公司) 的正极片解剖图 Fig.3 The anatomical photograph of cathode plate before and after the improvement of battery (company A)   下载原图

图4 温度试验后的漏液电池 (B公司) 解剖图 Fig.4 The anatomical photograph of the leaking battery (Company B) after thermal test   下载原图

图5 电池 (B公司) 分解后的绝缘板照片 Fig.5 The photographs of the insulating plates of the battery (Company B)   下载原图

检测, 试验结果表明:锂离子电池生产厂家要进一步完善和改进生产工艺, 才能保证商用锂离子电池的安全性能