软包装电池对生产线常见异物的耐受力_刘婷婷.pdf
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1、第 53 卷 第 3 期2023 年 6 月电池BATTERY BIMONTHLYVol.53,No.3Jun.,2023作者简介:刘婷婷(1989-),女,辽宁人,万向一二三股份公司工程师,硕士,研究方向:动力电池系统开发、新能源动力总成匹配,通信作者;许 科(1984-),男,浙江人,万向一二三股份公司工程开发总监,高级工程师,研究方向:锂电池及储能开发;张 磊(1987-),男,浙江人,万向一二三股份公司工程师,硕士,研究方向:锂离子电池安全性;姚 京(1989-),男,浙江人,万向一二三股份公司工程师,硕士,研究方向:动力电池系统开发。DOI:10.19535/j.1001-1579.
2、2023.03.013软包装电池对生产线常见异物的耐受力刘婷婷,许 科,张 磊,姚 京(万向一二三股份公司,浙江 杭州 311215)摘要:动力电池的安全日益受到关注,电池中异物的种类和尺寸对安全性能有较大的影响。基于软包装动力电池生产线常见的异物,从非金属、金属不同异物的种类和尺寸等角度分析对电芯的影响,提供软包装电池对异物耐受力的检测方法。机械和循环测试,以及对测试后电池拆解的结果表明,金属和硬质橡胶粒径一般不大于 600 m 以及纤维长度不大于 2 000 m,对软包装电池的影响不大;电池在满电状态下,对异物的敏感度更高。关键词:软包装电池;常见异物;耐受力;生产线清洁度;锂离子电池中图
3、分类号:TM912.9 文献标志码:A 文章编号:1001-1579(2023)03-0294-05Resistance of pouch cell to usual impurity in production lineLIU Ting-ting,XU Ke,ZHANG Lei,YAO Jing(Wan Xiang A123 Systems Co.,Ltd.,Hangzhou,Zhejiang 311215,China)Abstract:The safety of power battery had been paid more attention.The type and size of
4、foreign matter in batteries had a great impact on the safety.Based on the common foreign matter in the pouch cell production line,the effect of different kinds and sizes of non-metals and metals foreign matter on the cell was analyzed,the test method of the pouch cells resistance to foreign matter w
5、as provided.The results of mechanical&cycle tests and battery disassembly after tests showed that the size of metal and hard rubber no more than 600 m and fiber no more than 2 000 m had little effect on the pouch cell.The battery was more sensitive to foreign objects when it was fully charged.Key wo
6、rds:pouch cell;usual impurity;resistant ability;production line cleanliness;Li-ion battery 动力电池在制造、加工、包装的过程中,会不可避免地产生非金属、金属等异物1。目前,针对电池异物的研究,主要集中在电芯内部掺入金属杂质对电池的影响,对于软包装电芯内混入非金属杂质,以及电芯外、模组和电池包生产线上产生的异物,研究较少2。模组或电池包生产线的异物来源主要有两类:设备与物料的接触、摩擦等产生的橡胶、纤维等非金属杂质;软包装电池在加工、裁切、焊接过程中,产生的铜、铁、铝等金属杂质。非金属杂质相对较软,对于软包
7、装电芯的机械损伤影响不大,主要会对电池容量、电阻、K 值(单位时间内电池的电压降)等产生干扰;金属杂质硬度相对较高,除非金属杂质产生的影响外,在电池受到机械冲击或经多次循环后,会导致臌胀变形或受到巨大压力,更容易引发电池内部短路,导致较大的安全隐患3。基于不同的异物类型,本文作者以生产线收集到的实际异物为基础,测试某软包装电池、模组,在静态和动态等不同工况下进行验证,通过对电芯内异物和电芯的测试,评估电池对生产线异物的耐受能力。1 静态检测1.1 异物类型和尺寸针对某软包装电池模组(浙江产)的自动生产线(广东产),收集了主要杂质。非金属异物主要为纤维(源于设备线第 3 期刘婷婷,等:软包装电池
8、对生产线常见异物的耐受力束和绝缘胶带)、软质橡胶(源于电芯生产设备胶辊)和硬质橡胶(源于传送皮带)等;金属异物主要为铜屑、铁屑和铝屑等。基于电芯生产线异物数据信息整理的异物类型和对应尺寸范围列于表 1。测试验证将从表 1 所列异物中选择。表 1 生产线杂质类型和尺寸Table 1 Type and size of production line impurities类型粒径、尺寸范围/m硬质橡胶400600800软质橡胶400600纤维长度2 000铜屑、铁屑50100铝屑5001001.2 测试设置及工况根据生产线收集的异物,分别放在电芯(浙江产,78 Ah,长 100 mm宽 542 mm
9、)内,并用 DHF03 压力机(台湾省产)施加一定正压力。根据产品性能测试结果,该电池测试压力选择设计应用的极限环境约 1 380 kPa。微粒位置在正负极两侧和中间,如图 1 所示。图 1 静态环境异物对电芯的测试设置Fig.1 Set-up of foreign body in cell at static condition对于电芯内非金属异物,主要观察挤压后电芯内部极片、隔膜和铝塑膜等是否有破损等物理变化;对于金属异物,重点监测电池电性能,如电池容量、直流内阻(DCR)、交流内阻(ACR)和 K 值等。若考察在苛刻环境下金属异物对电芯的影响,也可以进行高温环境测试。1.3 测试结果选择
10、软橡胶、硬橡胶、纤维、铜屑、铁屑和铝屑,材质与生产线设备和产品材料相同,如图 2 所示。图 2 各种常见的生产线异物Fig.2 Common foreign body in production line1.3.1 非金属异物检测结果在测试电芯内放置不同尺寸的非金属异物,并对电芯施加约 1 380 kPa 的压力,观察电芯状态。除放置在电芯间粒径约 800 m 的硬质橡胶对电芯负极涂层造成轻微裂痕外,无其他破损,结果详见图 3图 5。图 3 硬质橡胶对电芯内部的影响Fig.3 Effect of hard rubber on the interior of the cell测试结果表明,对于非
11、金属异物,电池隔膜、涂层和外部铝塑膜在橡胶粒径不大于 600 m 及纤维长度不大于 2 000 m 时,在约 1 380 kPa 的压力下有变形,但无破损;而粒径约800 m 的硬质橡胶在施压后会产生裂痕。这说明,非金属异物粒径需控制在 800 m 以下,而 600 m 可作为安全尺寸的参考值。1.3.2 金属异物检测结果针对电芯内部金属异物的检测,主要考查对电性能的影响。选择粒径为 50 m 和100 m 的金属异物,用 FLUKE1508绝缘电阻测试仪(日本产)进行绝缘耐电压(Hi-Pot)测试4,测试电压 250 V。初步研究结果表明,在电芯内放入粒径为100 m 的金属异物,合格率为
12、0;放入粒径为 50 m 的金属异物,合格率不低于 90%。基于此结果,后续的电性能对比及高温、循环等验证,均使用 50 m 的金属异物进行。592电池BATTERY BIMONTHLY第 53 卷图 4 软质橡胶对电芯内部的影响Fig.4 Effect of soft rubber on the interior of the cell图 5 2 000 m 纤维对电芯内部的影响Fig.5 Effect of 2 000 m fiber on the interior of the cell对比放置粒径为 50 m 的铜屑、铁屑和铝屑的电芯及常规电芯,发现电池容量、DCR 和 ACR 等电性
13、能测试结果相近,没有特别的差异。2 动态检测电池的动态验证,主要是产品在应用环境下的测试。在模组的生产过程中,异物主要为铜屑和铝屑,来源于极耳裁切、焊接等加工制造的过程。静态测试中粒径约 800 m 的硬质橡胶置于电芯内,极片涂层有破损风险,且铜的硬度高于铝,因此,实验选择动态检测的异物为铜粒(河北产,99.95%),粒径分别为 800 m 和 600 m。将异物放置在电芯间,在某软包装电芯的模组中进行测试。测试方法与常规模组测试相同,评价方法一致,且不低于 GB 380312020电动汽车用动力蓄电池安全要求5的标准。2.1 机械冲击测试针对动力电池的机械冲击测试较多,实验基于产品常用工况,
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