幾種常見的車用鋰離子動力電池的優(yōu)勢與缺陷分析

0.前言

隨著新能源汽車的蓬勃發(fā)展和市場份額的不斷攀升，用戶與市場對續(xù)航里程、快充能力的要求也越來越高[1]。為此，從磷酸鐵鋰正極到初代三元正極，再到如今的高鎳三元正極材料，能量密度不斷提高。目前提高電池比能量，除了提升正負(fù)極材料外，另外一個(gè)途徑是改變電池單體、電池模塊和電池包的設(shè)計(jì)[2]。近年來，CTP(Cell to pack)、CTC(Cell to Chassis)以及刀片電池都反映了這種趨勢。但是，軟包電池天然具有高能量密度的優(yōu)勢（10%），在軟包的關(guān)鍵材料--鋁塑膜取得突破的前提下，如何發(fā)揮軟包電池的優(yōu)勢成了值得研究的問題。

2020年，裝載高鎳三元鋰離子電池的電動汽車起火、爆炸安全事故數(shù)猛增[3-4]。為同時(shí)滿足高比能、長續(xù)航和安全性等目標(biāo)，不易炸、抗擠壓性能好的軟包電池成為車用能源動力系統(tǒng)的一個(gè)較好的選擇。近年來，國內(nèi)獨(dú)創(chuàng)的“干熱復(fù)合法”成為軟包電池提質(zhì)降本的關(guān)鍵突破，為軟包電池的推廣提供了機(jī)遇。然而，在車用軟包鋰離子動力電池優(yōu)點(diǎn)的背后，存在著諸多的技術(shù)問題。

本文分析比較了幾種常見的車用鋰離子動力電池的優(yōu)勢與缺陷，并分析、論述了軟包電池存在的以下技術(shù)問題：軟包電池鋁塑膜密封與尺寸控制問題；軟包電池充放電過程厚度/預(yù)緊力變化與其壽命的問題；軟包電池獨(dú)特的結(jié)構(gòu)與其熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的問題；碰撞易變形、鼓包脹氣等特性帶來的安全性問題。針對可能的解決方案提供了方向與思考。

1.車用軟包鋰離子電池的機(jī)遇

如表1所示，從續(xù)航能力的角度來比較電池單體，三元軟包的優(yōu)勢比較明顯。特別是考慮質(zhì)量能量密度時(shí)，鑒于軟包電池在結(jié)構(gòu)上采用鋁塑膜包裝，重量較同等容量的鋼殼鋰電池輕40%，較鋁殼鋰電池輕20%。同時(shí)，車用軟包鋰離子電池體積少20%，較同等規(guī)格尺寸的鋼殼電池容量高 50%，較鋁殼電池高20～30%。

就實(shí)際車載應(yīng)用而言，三元軟包單體電芯能量密度高，也受到很多公司的青睞。此前，承接我國科技部300wh/kg高能量密度重大科技專項(xiàng)的三家動力電池公司——寧德時(shí)代、力神、國軒，均采用三元軟包的路線以實(shí)現(xiàn)300 Wh/kg的高能量密度目標(biāo)。

此外，考慮到三元軟包相對更高的安全性，尺寸靈活、便于布置，三元軟包的技術(shù)路線也更適合發(fā)展固態(tài)電池。因此，不同于以往的方殼電池占據(jù)實(shí)際應(yīng)用中大半份額的情況，三元軟包電芯有著較強(qiáng)的上升趨勢。

就目前我國新能源汽車發(fā)展趨勢而言，受補(bǔ)貼政策影響，系統(tǒng)能量密度也逐步隨單體能量密度而提升。根據(jù)2019年新能源汽車補(bǔ)貼政策要求，系統(tǒng)能量密度是獲得補(bǔ)貼的硬性指標(biāo)之一。雖然現(xiàn)有車型中方殼電池所組電池包在包級能量密度上具有一定優(yōu)勢，而隨著軟包電池生產(chǎn)工藝的提升，軟包電池所構(gòu)建的電源系統(tǒng)也將呈現(xiàn)上升趨勢。在九系高鎳三元正極材料與原位固化等技術(shù)逐漸走向市場的背景下，軟包電池也將具有更為廣闊的純電動汽車市場。

在性能方面，軟包電池具有更全面的優(yōu)勢:

（1）軟包電池適合應(yīng)用于嚴(yán)苛質(zhì)量或體積限制的便攜式設(shè)備能源系統(tǒng)，如3C消費(fèi)電子產(chǎn)品，同樣適合應(yīng)用于緊湊的車用能源系統(tǒng)；

（2）軟包電池可根據(jù)客戶需求、車型、空間大小等實(shí)際應(yīng)用限制定制外形，可以做更薄，普通鋁殼只能做到4mm，軟包可以做到0.5mm。目前，電池單體也在朝著大容量、高倍率的方向發(fā)展，大尺寸、輕薄型軟包電芯將更好地滿足新能源汽車等領(lǐng)域移動電源的需求；

（3）軟包電池在循環(huán)性能上同樣具有一定的優(yōu)勢。研究表明，軟包電池的循環(huán)壽命更長，100次循環(huán)衰減比鋁殼少4%～7%[5]；

（4）更具優(yōu)勢的是，軟包電池的內(nèi)阻較鋰電池小，國內(nèi)最小可做到35mΩ以下，極大地降低電池的自耗電；

（5）軟包電池在大電流等工況下相較于方殼及圓柱形電池具有一定程度的安全性優(yōu)勢。此外，如圖1所示，軟包電池具備更強(qiáng)的抗擠壓性能。

圖1? 軟包電池受擠壓橫截面示意圖

2.軟包電池應(yīng)用的鋁塑膜密封與尺寸控制挑戰(zhàn)

在軟包電池的生產(chǎn)制造過程中，沖坑、密封等環(huán)節(jié)的控制需做到精確控制。如圖2所示，若密封力過大，使用過程中可能突破鋁塑膜的許用應(yīng)力極限而導(dǎo)致破裂。而密封力過小，在軟包電池正常充放電膨脹收縮的“呼吸效應(yīng)”作用下，會導(dǎo)致鋁塑膜密封處崩開，帶來進(jìn)水、進(jìn)氣、極耳松動等問題。

圖2? 軟包電池鋁塑膜密封力問題示意圖

在軟包電池的正常使用過程中，密封部位隨循環(huán)使用的耐久性對軟包電池的車載應(yīng)用帶了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。Zhang等[6]提出了一種改進(jìn)的粘性區(qū)域（Cohesive zone model, CZM）模型探究恒定載荷下軟包電池的性能衰減過程，用于評價(jià)軟包電池密封區(qū)的牽引分離關(guān)系。利用標(biāo)準(zhǔn)試件和原位拉伸試驗(yàn)機(jī)，設(shè)計(jì)并在室溫下進(jìn)行加速衰減實(shí)驗(yàn)（Accelerated degradation test, ADT）模擬密封區(qū)的分離過程。模型預(yù)測與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。研究發(fā)現(xiàn)密封區(qū)域的粘合強(qiáng)度在較小的恒定拉伸載荷下緩慢下降，甚至?xí)?dǎo)致長時(shí)間的延遲斷裂；室溫下粘接強(qiáng)度的衰減速率與恒載水平呈線性關(guān)系。

密封膠的降解也是影響電池完整性乃至電池安全的重要因素。其原因可歸為分子鏈的斷裂與交聯(lián)，這會降低分子量，削弱界面間的鍵合關(guān)系；而密封處工藝參數(shù)的變化也會導(dǎo)致軟包電池密封性的下降，具體表現(xiàn)為最大剝離力的減小[7]。

然而，目前的研究大多只考慮了在室溫下產(chǎn)生氣體所引起的負(fù)荷效應(yīng)，而溫度在粘彈性材料蠕變過程中也起著重要的作用。此外，電解質(zhì)的影響也可能導(dǎo)致嚴(yán)重的降解。因此，目前對于軟包電池密封性的研究并未深入考慮各方面因素展開，相關(guān)規(guī)律、機(jī)理并不明晰。

同時(shí)，鋁塑膜的存在，也使得軟包電池單體制作過程中尺寸一致性較差。在汽車產(chǎn)業(yè)對整車尺寸鏈的嚴(yán)格要求下，無論是單體尺寸誤差累積到整個(gè)電池包的尺寸誤差，還是整個(gè)電池包尺寸誤差分?jǐn)偟絾误w尺寸誤差，鋁塑膜所帶來的誤差影響都難以消除。在目前單體尺寸誤差難以控制的前提下，工業(yè)界通常只能從模組級別控制尺寸精度。

圖3? 軟包電池與整車尺寸誤差問題示意圖

3.軟包電池應(yīng)用的預(yù)緊力與使用壽命挑戰(zhàn)

軟包電池在充放電過程中的呼吸效應(yīng)、在成組使用過程的膨脹收縮與預(yù)緊力的共同作用會對電池壽命產(chǎn)生重大影響。因此，軟包電池成組后的設(shè)定合適的預(yù)緊力十分重要。

如圖4所示，軟包電池在充放電循環(huán)中充電完畢時(shí)膨脹量最大，此時(shí)電池內(nèi)部受到的擠壓力也越大；而放電過程則是一個(gè)恢復(fù)過程。

圖4? 軟包電池充放電“呼吸效應(yīng)”示意圖

為保持電池包的尺寸，需對成組軟包電池在厚度方向施加一定的預(yù)緊力。該預(yù)緊力不僅影響軟包電池厚度膨脹率，還影響電池的使用壽命。研究表明：鈷酸鋰軟包電池的循環(huán)容量衰減率和厚度膨脹率，均與循環(huán)次數(shù)的平方根呈線性相關(guān)[8]。在電池模組中設(shè)置彈性元件不僅可以提高軟包鋰離子動力電池的電化學(xué)性能，還能一定程度上抑制過放電的危害。

如圖5所示，不同于外特性分析，通過對循環(huán)老化的軟包電池做拆解分析，可在所有電池中都觀察到隔膜的局部變形，并發(fā)現(xiàn)：

（1）膜的覆蓋率隨著機(jī)械應(yīng)力而增加，表明機(jī)械應(yīng)力與化學(xué)降解之間存在耦合；

（2）所有電池中觀察到的容量衰減都?xì)w因于可循環(huán)使用的鋰的損失，從而證實(shí)了外在機(jī)械應(yīng)力作用下的化學(xué)降解；

（3）輕的預(yù)緊壓力有利于改善自然狀態(tài)下長期使用過程的容量、性能衰減[9]。

圖5? 老化軟包鋰離子動力電池拆解示意圖

實(shí)驗(yàn)探究軟包電池所受壓力與壽命的關(guān)系可發(fā)現(xiàn)：在全生命周期中，電池的不可逆膨脹主要發(fā)生于前中期并在后期達(dá)到最大。抑制軟包電池的體積膨脹可提升電池循環(huán)壽命，但也會因限制電池體積產(chǎn)生外部壓力。適度的預(yù)緊力有利于提高電池放電能力，而過大的外部壓力會造成軟包電池循環(huán)過程中不可逆的應(yīng)力弛豫，使容量顯著衰減[10]。

在充分考慮電池組壓力的情況下，實(shí)驗(yàn)測定電池在外力作用下的厚度變化，建立軟包鋰離子動力電池的等效力學(xué)-壽命模型，便可以電池厚度為信號表征電池壽命與狀態(tài)信息。通過對電池組充放電過程中壓力與電池厚度的耦合分析，可得到考慮彈性材料和電池組外殼的等效力學(xué)模型[11]。

應(yīng)對不同材料體系、結(jié)構(gòu)的軟包鋰離子電池，如何設(shè)計(jì)隨電池老化狀態(tài)、模組/包級外力持續(xù)變化情況而調(diào)節(jié)預(yù)緊力大小的電池管理系統(tǒng)仍是影響搭載軟包鋰離子動力電池汽車?yán)m(xù)航里程及動力性能的關(guān)鍵因素。

4.軟包電池應(yīng)用的熱管理設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

如圖6與圖7所示，軟包電池中存在著較為嚴(yán)重的產(chǎn)熱不均勻問題。對于小容量軟包電池，兩極耳附近電流密度較大，相較于電池底部產(chǎn)熱量更大；大容量軟包電池內(nèi)部片層材料橫截面積更大，電流路徑更長，同樣導(dǎo)致產(chǎn)熱的不均勻性。軟包電池產(chǎn)熱的不均勻性將會影響單體電池不同部位的老化狀況，如不能設(shè)計(jì)良好的熱管理系統(tǒng)，將會影響電池組/包的整體使用性能和壽命[12-13]。

圖6 ?小容量軟包電池電流密封分布示意圖

圖7? 大容量軟包電池電流密封分布示意圖

如圖8所示，常見的基于液冷板的車載電池包底部熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案適用于方殼/圓柱型電池包，在保證熱管理效果的同時(shí)，確保了電池包能量密度[14]。

圖8? 常用液冷電池模組設(shè)計(jì)方案

但軟包電池單體與底部液冷板間換熱面積極其有限，且軟包鋰離子動力電池鋁塑膜封邊不可避免產(chǎn)生褶皺不平的側(cè)面，與底部液冷板接觸效果極差，此方案并不適用。

如圖9和圖10所示，與圓柱/方殼電池類似的是，傳統(tǒng)風(fēng)冷系統(tǒng)雖然具有結(jié)構(gòu)簡單、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，但在高溫環(huán)境、快速充電等工況下無法實(shí)現(xiàn)足夠的控溫效果，且風(fēng)冷系統(tǒng)無法保證較好的溫度分布均勻性[15]。而相變材料盡管在溫度均勻性上具有一定的優(yōu)勢，但現(xiàn)有相變材料仍未實(shí)現(xiàn)足夠的導(dǎo)熱效果，且應(yīng)對超低溫、超高溫、大倍率電流等過熱或過冷工況，需要大量相變材料包裹各電池單體達(dá)到足夠的潛伏熱?；谙嘧儾牧系臒峁芾硐到y(tǒng)極大程度地增加了電池包體積、質(zhì)量和成本，實(shí)用性較差。有關(guān)研究表明，現(xiàn)有相變材料能實(shí)現(xiàn)的溫度一致性與液冷系統(tǒng)幾乎持平，且包裹相變材料一定程度上阻礙了電池單體與環(huán)境間的對流換熱，不利于需散熱的高溫或快充工況[16]。

圖9? 軟包電池風(fēng)冷模組設(shè)計(jì)方案

圖10? 軟包電池相變模組設(shè)計(jì)方案

如圖11所示，針對軟包鋰離子動力電池扁平、面積較大的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，熱管理效果最好的是軟包電池單體間夾液冷板的“三明治”熱管理結(jié)構(gòu)。此系統(tǒng)具有換熱面積大，冷卻、加熱效果較好的優(yōu)點(diǎn)[17]。但應(yīng)用于純電動汽車電池包會使電池系統(tǒng)所占體積、質(zhì)量、成本大大增加，液冷/熱管路復(fù)雜，致使電池包能量密度降低，喪失軟包電池自身能量密度的優(yōu)勢，與如今純電動汽車高比能、長續(xù)航的發(fā)展目標(biāo)相悖。

圖11? 軟包電池液冷模組設(shè)計(jì)方案

圖12? 軟包電池霧化冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

如圖12所示，基于冷卻氣體與液滴霧氣的混合物的霧化冷卻系統(tǒng)可提升傳統(tǒng)風(fēng)冷系統(tǒng)的換熱面積，同時(shí)冷卻劑的導(dǎo)熱系數(shù)也有所提升[18-19]。若做好各電池單體的絕緣處理或采用絕緣液體進(jìn)行霧化處理可實(shí)現(xiàn)較好的熱管理效果，而液汽兩相間相變的能量也能用于電池包的熱管理。霧氣凝結(jié)而成的液滴也可在電池包底部匯集回收用于熱管理系統(tǒng)的循環(huán)。但目前尚未此方案用于車用電池包熱管理系統(tǒng)的實(shí)踐案例，仍處于實(shí)驗(yàn)探索階段。

總體而言，軟包電池的車載應(yīng)用存在以下熱管理問題：

1.軟包電池散熱困難，熱傳導(dǎo)路徑長，熱阻大。兩端極耳與側(cè)板/底板換熱面積過小，導(dǎo)熱系數(shù)不夠；

2.軟包電池面積更大，電流路徑更長，導(dǎo)致發(fā)熱不均勻；

3.軟包電池?zé)o法保證足夠的換熱面積應(yīng)對高溫及高產(chǎn)熱工況，很難滿足未來大倍率快充的市場需求（溫升散熱問題、大電流充電的膨脹收縮問題）；

3.同樣，軟包電池難以應(yīng)對低溫的挑戰(zhàn)（熱傳遞困難，導(dǎo)致低溫加熱困難）。

如何平衡軟包電池模組/包能量密度和冷卻效果仍是純電動汽車的一大挑戰(zhàn)。

5.軟包電池應(yīng)用的安全性挑戰(zhàn)

為探究軟包鋰離子動力電池安全性問題機(jī)理，相關(guān)學(xué)者從表征、實(shí)驗(yàn)等角度開展了一些工作。研究表明陰極和陽極之間的化學(xué)反應(yīng)可能是軟包電池?zé)崾Э氐闹饕獊碓?，可從主動安全的角度防止軟包電池達(dá)到陽極與陰極氧化還原反應(yīng)溫度來預(yù)防熱失控，如建立穩(wěn)定的固相界面，防止隔膜熔化時(shí)發(fā)生氧化還原反應(yīng)[20]。

Qi等在[21]中研究了60 Ah 軟包鋰離子電池的內(nèi)短路機(jī)制和安全風(fēng)險(xiǎn)。通過ARC(accelerating rate calorimetry)和高精度穿透試驗(yàn)按需觸發(fā)內(nèi)短路，清晰地捕捉、分析了早期輕度內(nèi)短路過程中隔膜和電極層的“癥狀”。隔膜的針孔、裂紋和破裂會導(dǎo)致新的內(nèi)短路斑點(diǎn)的形成和擴(kuò)展，而隔膜的閉孔和收縮會關(guān)閉離子通路和現(xiàn)有的內(nèi)短路斑點(diǎn)以減輕ISC。但即使是在微集成電路中，正極的破壞和鋁集流器的熔合也很突出，這種現(xiàn)象會阻礙集成電路的電流，也會降低集成電路的性能。這些內(nèi)部效應(yīng)與外部電壓和溫度信號有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，即使是毫伏級的電壓變化信號也是輕度內(nèi)短路危險(xiǎn)預(yù)警的重要信號，可作為預(yù)測電池?zé)崾Э氐南刃兄笜?biāo)，而溫度信號往往存在滯后現(xiàn)象。此方法對小容量軟包電池更適用，因?yàn)榇蟮膬?nèi)短路電壓降信號更容易被電池管理系統(tǒng)檢測到。

隨著高比能、長續(xù)航等要求的提出，高鎳三元軟包鋰離子動力電池成為車用動力電池的優(yōu)先選擇，但近年來高鎳三元體系電池安全性機(jī)理并未明晰，燒車等安全事故成為三元軟包安全性不可回避的話題。Zou等在[22]中研究了78Ah大容量LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2軟包動力電池?zé)崾Э氐臒崽匦院彤a(chǎn)氣特性，從特征溫度、表面溫度、產(chǎn)熱和產(chǎn)氣等角度對NCM811軟包電池安全性做出分析，結(jié)果表明：

（1）電池表面溫差較?。?1℃） 但在熱失控后迅速上升。考慮到電池不同位置的溫度相差較大，需采用多點(diǎn)測量法對大尺寸軟包電池的熱特性進(jìn)行綜合分析；

（2） 自熱起始溫度T1平均值為84.17℃，熱失控觸發(fā)溫度T2平均值為135.88℃。通過比較NCM811軟包動力電池與NCM111、NCM523和NCM622在單體水平上的最大溫升速率發(fā)現(xiàn)NCM811體系軟包電池具有較低的熱穩(wěn)定性、較低的熱容限和較嚴(yán)重的熱失控現(xiàn)象；

（3） 采用分布參數(shù)法計(jì)算了試驗(yàn)中的總產(chǎn)熱量和強(qiáng)產(chǎn)熱量，計(jì)算得出熱失控后的產(chǎn)熱量占總產(chǎn)熱量的8%左右；

（4） 熱失控過程所產(chǎn)生氣體成分主要為CO、H2、CO2、O2和C2H4等烷基，分析產(chǎn)氣的生成機(jī)理發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生這些氣體的強(qiáng)烈放熱反應(yīng)與自生氧結(jié)合，可能導(dǎo)致劇烈的燃燒現(xiàn)象。

軟包電池獨(dú)特的鋁塑膜封裝結(jié)構(gòu)使其安全性相對于其他兩種電池封裝形式而言有一定的優(yōu)勢（不易炸），但仍存在一些安全問題：

(1) 易由外界沖撞引發(fā)電池變形、受損甚至刺穿引發(fā)熱失控[23-24]；

(2) 鋁塑膜易破損，一旦破損將導(dǎo)致電解液泄漏甚至更嚴(yán)重的安全事故；

(3) 快充性能差，目前主要應(yīng)用于小倍率電流工況。大倍率電流工況易產(chǎn)生鼓包、脹氣等安全問題；

(4) 在極端條件下，熱濫用、電濫用、機(jī)械濫用將觸發(fā)熱失控[25]。不同于方殼電池的泄壓閥結(jié)構(gòu)，軟包電池?zé)崾Э匾?guī)律不便掌握，過壓噴發(fā)部位隨機(jī)、不固定。這一特點(diǎn)也致使無法對軟包電池噴發(fā)事故進(jìn)行有效的預(yù)判、處理。

這些見解對微觀ISC的識別、評價(jià)、預(yù)警和預(yù)防研究具有一定的指導(dǎo)意義。

6.結(jié)論

綜上所述，軟包鋰離子動力電池在純電動汽車中應(yīng)用的優(yōu)勢如下：

（1）在相同體積和重量前提下，軟包鋰離子動力電池能量密度高，可滿足未來高比能、輕量化和長續(xù)航的需求趨勢。

（2）軟包電池尺寸、體積靈活可變，可根據(jù)不同車型空間、底盤需求進(jìn)行定制，為未來純電動汽車整車布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供方便。

（3）軟包電池在大倍率電流等極端工況下鼓包較多，不易炸，相較其他型號更加安全。

但軟包電池的缺陷也很突出，具體存在的技術(shù)問題如下：

（1）軟包電池生產(chǎn)過程中合適的密封程度、密封力大小需要結(jié)合電池全生命周期充放膨脹收縮的疲勞失效特點(diǎn)進(jìn)行探究；

（2）軟包電池鋁塑膜封邊的特點(diǎn)使其單體到模組、再到整個(gè)電池包尺寸不易精確控制；

（3）軟包電池成組后所受預(yù)緊力大小需結(jié)合軟包全生命周期規(guī)律、實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)；

（4）軟包電池側(cè)面換熱面積過小，難以在保證電池包能量密度與輕量化要求的同時(shí)設(shè)計(jì)高效、實(shí)用的熱管理系統(tǒng)；

（5）軟包電池鋁塑膜外殼強(qiáng)度較低，受外部機(jī)械載荷與沖擊的作用下易受損、易破，且其熱失控產(chǎn)氣、噴發(fā)等安全性問題規(guī)律不易掌握。

總而言之，車用軟包鋰離子電池優(yōu)勢與技術(shù)問題都很明顯，適合用在對能量密度要求高，但對環(huán)境適應(yīng)性和快充要求低的場合，如換電運(yùn)營模式下的乘用車和商用車。軟包鋰離子動力電池對重載、長途應(yīng)用模式的純電動汽車而言，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。

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審核編輯：劉清