方形锂电池绝缘低问题分析及其预防措施

2022-04-19 06:09:50来源：电动学堂

文章来源：上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心
引言

在大规模储能、智能电网、清洁能源汽车和消费电子产品迅猛发展的主格局下，人们对电子储能器件性能、可靠性、安全性的要求越来越高。锂离子电池因能量密度高、循环寿命长、高倍率性能等优势成为了应用最广泛、技术成熟的电化学储能器件之一。但锂离子电池在生产、运输、使用过程中会出现某些失效现象，即便单一电池出现了失效现象，也会影响到整个电池组的性能和可靠性，甚至会导致电池组停止工作或其它安全问题。相对于圆柱形和软包装锂电池，方形锂电池因封装可靠度高，结构较为简单，在电动汽车领域应用越来越广泛。近年来国内外发生的多起与动力电池相关起火爆炸事故，动力电池安全性问题也得到了极大的关注。电芯短路轻则造成电芯漏液，动力电池发生绝缘故障，重则引起动力电池系统起火。本文对某方形锂电池模组绝缘低排查案例进行原因分析，并对其电芯壳体腐蚀的失效过程及机理进行讨论，提出改进方法。

1某方形锂电池模组绝缘低排查案例分析
1.1排查过程某动力电池检查发现一个模组绝缘值远低于标准值，仅0.113MΩ，检查发现模组1号电芯底部壳体有明显电解液腐蚀迹象，Busbar片连接完好，模组Pin针无异常，未出现弯折等。排查模组制程数据未发现异常，对故障模组进行电性能测试，发现其电压和内阻参数正常，绝缘异常。对故障模组进行拆解，各电芯蓝膜完好，1号电芯底部电解液泄露明显，撕除蓝膜后发现明显腐蚀点。排查1号电芯制程数据未发现异常。电芯负对壳电压实测0.596V（规格不小于1.5V），开壳后电压未恢复，两JR外观正常，底部无破损，极耳焊接处无搭接顶盖；JR拆除后，实测电芯负极柱与顶盖阻值为0，如图1所示。对电芯顶盖进行CT分析，发现负极柱内上塑胶与顶盖片间有金属异物，负极柱与顶盖连通，如图2所示。

1.2原因分析对电芯顶盖制程进行排查，极柱、PPS来料与极柱注塑工序为风险工序。电芯顶盖金属丝导致短路的原因主要有2个。一是注塑配件引入：外型落料工序，刀口间隙过大，负极柱墩压产生铜颗粒；PPS来料混入不锈钢颗粒，注塑时嵌入零件PPS中。二是设备引入：烘料机于注塑机机未进行封闭式管理投料，存在车间金属颗粒吸入PPS原料风险。
1.3失效过程分析电芯顶盖绝缘层混有金属屑，电芯顶盖电测使用PC500V电压测试2s，要求绝缘电阻不小于200MΩ的标准测试通过，500V电压无法击穿间隙，电芯焊接巴片后，负极铝块受热使表面的绝缘层（PP材料）融化，金属屑随融化的绝缘层流动至负极住边缘；负极铝块绝缘层融化后再冷却，塑胶凝固收缩，使极柱和顶盖片之间有了空隙；金属屑在空隙中因为震动而移动，偶然会使负极柱和顶盖片导通，在不断的充放电过程中，电芯壳体慢慢发生腐蚀，从而导致电芯漏液，绝缘值低。

2腐蚀机理
方形锂离子电芯的腐蚀实际上是铝壳形成铝锂合金的过程，需要满足两个必要条件，其一是电子短路，即铝壳具有低电位的负极；其二是离子短路，即铝壳接触电解液中的锂离子。
正常电芯负极柱与壳体通过绝缘层隔开，壳体处于高电位，当负极柱与顶盖片存在金属屑发生导通，负极柱与铝壳发生短路，铝壳将具有腐蚀电位条件，铝壳电位显著降低（铝壳起始嵌锂电位约为1.4V）。与此同时，铝壳与电解液中的锂离子接触，低电位的铝壳将与锂离子发生电化学反应，如图3所示。

电子由负极转移至铝壳，锂离子嵌入铝壳形成铝锂合金，可分为三个阶段：阶段Ⅰ铝氧化物的还原；阶段Ⅱ的形成；阶段Ⅲ理论上会形成。随着锂嵌入程度提高，与空气中的氧气和二氧化碳反应，生成碱金属盐，铝壳逐渐被腐蚀。电芯四周有mylar包覆绝缘，仅有底部有定位孔及合拢间隙，故常见于电芯底部腐蚀。

3预防措施
1）加强工艺管控，减少引入金属异物的风险。负极墩压落料模具镶件采用高强度钢，减小刀口间隙，减少毛刺的产生；增加抛震时间，确保毛刺被充分打磨；PPS原材粒子，包装前增加金属分离器进行分离包装。吸料管与烘料机绑定，减少吸附车间particle风险。
2）加强电芯顶盖的下线绝缘检测标准。本案例中追溯故障电芯顶盖的出厂电测数据合格，由此可见当前测试标准500V电压无法击穿金属屑、负极柱与顶盖片的间隙，无法检出此类故障类型的电芯顶盖。保持DC500Vhipot电压绝缘电阻200MΩ检验前提下，检成品测试增加1道1500V2s2mA耐高压电阻100%成品测试已做正向验证，1500V检测不通过的样品CT结果显示金属丝存在。

4结语
金属异物极易引发锂离子电池发生内部短路，而短路又是产生热失控的最常见原因，由此可见锂离子电池生产过程中金属异物管控的重要性。电池安全性问题需要广大技术人员一同努力推进，使电池生产工艺异物管控做的越来越好。

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