動力鋰離子電池一般來說是指能夠經(jīng)過大電流放電給設(shè)備、器械、車輛等供給動力的鋰離子電池。動力鋰離子電池具有比能量高、大電流充放電、循環(huán)壽數(shù)長等特色，現(xiàn)已獲得廣泛使用。動力鋰離子電池依據(jù)正極資料的不同分為三元、鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰等類型；依據(jù)外形的不同分為方型電池（prismaTIc），圓柱型電池（cylindrical）等。為進(jìn)步續(xù)航路程，動力鋰離子電池經(jīng)過串并聯(lián)組合后的能量一般較大，容量從幾安時到幾百安時不等，電壓從十幾伏到幾百伏不等。隨著攜帶能量的進(jìn)步，電池潛在危險性也隨之增大。因而如何進(jìn)步動力鋰電池的安全性成為電動轎車?yán)^續(xù)發(fā)展的重要條件。在動力鋰離子電池的發(fā)展進(jìn)程中，一直存在著兩個發(fā)展方向。一個方向是大單體電池，經(jīng)過少數(shù)并聯(lián)組合；一個方向是小單體電池，經(jīng)過許多并聯(lián)組合。韓國LG，國內(nèi)BYD為代表的公司走的是大方型道路；美國A123，國內(nèi)沃特瑪為代表的公司走的是小型圓柱道路。這兩條道路現(xiàn)在沒有定論，不同的動力鋰電池廠家依據(jù)自己的了解選擇不同的工藝道路。但是在面對安全性這一目標(biāo)方面，兩種工藝道路的成果差別是非常大的。本文從動力鋰電池結(jié)構(gòu)、功能方面，特別是安全性方面進(jìn)行比照剖析，來闡述小型圓柱電池在使用于電動轎車等方面的安全優(yōu)勢。

電池結(jié)構(gòu)、功能比照剖析

圓柱形電池和方型電池是現(xiàn)在業(yè)界兩大干流方向。圓柱型電池的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。正負(fù)極之間由隔膜分開，經(jīng)過卷繞構(gòu)成卷芯。一般正負(fù)極極片焊接有正負(fù)極極耳并別離經(jīng)過兩側(cè)引出。極耳焊接于正極和負(fù)極外殼。電解液加注于殼體內(nèi)。圖2為方型電池結(jié)構(gòu)。方型電池的結(jié)構(gòu)分疊片結(jié)構(gòu)和卷繞結(jié)構(gòu)。疊片式方型鋰離子電池由n片正極片和n+1片負(fù)極片疊片組成電池芯胞，正負(fù)極片之間用隔膜離隔，別離在正、負(fù)極片的一側(cè)預(yù)留有正、負(fù)極耳區(qū)，疊成芯胞時正、負(fù)極耳別離從芯胞兩側(cè)對稱伸出。方型電池的卷繞結(jié)構(gòu)和圓柱型電池的卷繞結(jié)構(gòu)類似，其差別是卷心是扁平形狀而非圓柱型。因為圓柱型電池和方型電池形狀的不同，結(jié)構(gòu)差別較大。一般狀況下，圓柱型電池因為卷芯電流密度和散熱的限制，容量不能做得太大。方型電池確保厚度恰當(dāng)?shù)臈l件下，經(jīng)過增大長、寬能夠進(jìn)步容量。其單體容量一般能夠超越圓柱型電池的10倍以上。表1為圓柱型和方型電池的功能比照。能夠看出兩種電池具有各自的特色。圓柱形電池結(jié)構(gòu)設(shè)計簡略，正負(fù)極界面嚴(yán)密，生產(chǎn)線老練，成本低，成組散熱好，安全功能優(yōu)異。其缺陷是內(nèi)阻相對較高，成組要求高。方型電池的優(yōu)勢是單體容量大組合簡略。其缺陷是生產(chǎn)工藝復(fù)雜，大容量電池單體一致性難控制。別的，方型殼體簡單發(fā)生應(yīng)力集中，殼體簡單決裂，電解液濺出引發(fā)安全隱患。

安全性比照剖析

1.在極點狀況下的安全性比照

動力鋰電池在車輛發(fā)生嚴(yán)重事端等極點條件下的安全性是人們最為關(guān)心的問題，因為這直接關(guān)系到生命財產(chǎn)安全。圓柱電池容量小，經(jīng)過串并組合到達(dá)動力鋰電池組的容量、電壓的要求。以現(xiàn)在32650電池為例，電池容量只要5Ah。而大方型電池單體容量一般都超越幾十安時，有的到達(dá)100Ah以上。在電池呈現(xiàn)磕碰、揉捏等極點危險狀況下，圓柱型小電池其釋放的能量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于大方型電池單體。現(xiàn)在沃特瑪5Ah電池的電解液只要20克，而大方型電池，如50Ah單體，其電解液量要超越200克。該方型單體電池的電解液量是小型圓柱電池的10倍以上。一旦在事端中某個單體電芯呈現(xiàn)漏液，則因電解液泄漏而引起的燃燒程度也會是小型圓柱電池的10倍以上。從這方面來講，小型圓柱電池的安全性比大電池要好許多。當(dāng)小型圓柱電池遭到破壞，其燃燒的威力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于大的方型電池。經(jīng)過對單個電池的別離保護(hù)，某一單體電池呈現(xiàn)問題，不會涉及其他電池。經(jīng)過將能量渙散的方法，使電池的安全性極大進(jìn)步。

在承受碰擊方面，圓柱型電池和方型電池體現(xiàn)差別較大。圓柱型電池相有關(guān)方型電池具有較好的抗形變才能，各個方向上受力均勻，形變保持才能是現(xiàn)在所有電芯工藝中最優(yōu)異的，合作自主研制的安全組合蓋帽，安全性得到了極大的進(jìn)步。即使在高速抵觸揉捏進(jìn)程中，圓柱形電芯有必定的變形，但也不會起火燃燒。有關(guān)方型電池，面積較大的一面簡單形變，在高速抵觸揉捏進(jìn)程中，電芯外殼不能很好的確保電芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)，很簡單導(dǎo)致內(nèi)部正負(fù)極片的錯位短路；有關(guān)這種瞬間的沖擊，方型電芯無法敏捷做出反響。

別的，有關(guān)大的方型電芯，因為其旁邊面面積較大，承受到其他物體碰擊的概率要高得多，因而在安全事端中，單體電芯被撞壞而形成短路的可能性要比小的圓柱電芯大許多。而有關(guān)小型圓柱電池組合，一旦電池箱受到猛烈碰擊，小型圓柱電池首先斷開的地方可能是各個單體電芯的鉚接點，而因為電芯體積較小，較大的可能性是被撞散，電池組失效。這對進(jìn)步動力鋰電池組的安全性具有重大意義。因而采用小容量的圓柱型電池組合的電池組在車輛呈現(xiàn)事端時，能夠供給更長的逃生時間。依據(jù)沃特瑪?shù)臏y驗，電池在烈火中燃燒，電解液噴出引發(fā)劇烈燃燒的時間在10分鐘后。

2.散熱方面的比照

在單體散熱方面，因為圓柱型電池和方型電池的形狀不同，散熱用途體現(xiàn)差別較大。以50Ah方型電池為例，其表面積容量比大約在1x10-3m2/Ah;而32650-5Ah圓柱電池的表面積容量比約為1.6x10-3m2/Ah;相比之下大了60%。在外界條件完全相同的狀況下，圓柱型小電池在散熱方面具有天然的優(yōu)勢。

圓柱型電池在組合時，電池之間有縱向間隙，這為電池的散熱供給天然的散熱途徑。理論上散熱截面積至少在15.9%（嚴(yán)密擺放）和21.9%（立方擺放）。圖3為沃特瑪圓柱電池的組合結(jié)構(gòu)實物圖，能夠看出組合后具有良好的散熱通道。圓柱電池組合的天然的散熱通道確保了電池的散熱用途，進(jìn)步了電芯安全性。

3.安全機制比照

兩種電池結(jié)構(gòu)都具有防爆安全閥。方型電池的安全閥一般位于端側(cè)，閥面積要大于圓柱電池的安全閥。但是假如考慮到電池的容量，即單位容量的閥面積，方型電池要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于圓柱電池。一旦電池呈現(xiàn)失效狀況，特別是極點的碰擊狀況，方型電池安全閥的有效性要落后于小型圓柱電池。圓柱電池組合蓋帽兼具防爆安全閥和電流堵截設(shè)備CID（CurrenTInterruptDevice），如圖4所示。這一點在方型電池上很少使用。當(dāng)呈現(xiàn)外部短路或當(dāng)電池內(nèi)壓到達(dá)1.2MPa安全警戒值時，首先CID設(shè)備發(fā)動，正負(fù)極之間斷開，自動堵截電流自行保護(hù)，電池內(nèi)部回路斷開；當(dāng)電池內(nèi)壓到1.8MPa安全警戒值時，泄壓構(gòu)件安全閥會翻開，氣體排出，防止爆破危險。現(xiàn)在，安全型組合蓋帽工藝?yán)暇殻箞A柱型電芯的安全性得到了很好的確保。

4.成組一致性比照

眾所周知，單體電池的一致性對電池組的壽數(shù)、安全性等各個方面目標(biāo)具有較大的影響。大方型電池生產(chǎn)工藝的復(fù)雜性決議了現(xiàn)在單體電池的一致性較差。在成組后電池的一致性問題直接對安全性形成影響。因為容量少，內(nèi)阻高的電池更多的面對過充過放帶來的危險。圓柱電池生產(chǎn)工藝?yán)暇殻姵匾恢滦暂^高。在電池組合后，低容量電池呈現(xiàn)的幾率較低。即使呈現(xiàn)低容量電池，因為多個并聯(lián)，經(jīng)過自均衡的方法最大程度上消除了不一致的影響。

5.圓柱電池安全測驗

為了驗證圓柱電池的安全性，對圓柱單體電池及電池組進(jìn)行了安全測驗。圖5為圓柱型電池組針刺試驗相片。當(dāng)鋼釘穿透電池時，電池內(nèi)電解液走漏，電池表面溫度急劇升高，電壓緩慢下降，電解液汽化冒出少數(shù)白煙，包裹電池用的絕緣塑料膠套被高溫熔化，進(jìn)程繼續(xù)大約10min后現(xiàn)象消失，終究短路電池電壓降為零，進(jìn)程最高溫度上升到141℃。電池不爆破，不燃燒。完全契合UL2580（及SAEJ2464）規(guī)范。圖6為圓柱型電池組碰擊測驗前后的相片。電池組在遭到重物碰擊后，電池顯著受損，但電池?zé)o起火、無漏液、無冒煙或爆破，電池電壓基本無變化。契合UL1642規(guī)范。表2為電池組進(jìn)行的安全測驗項目。從實測成果看，圓柱型電池體現(xiàn)出良好的安全功能。圖7為更為苛刻的燃燒測驗進(jìn)程相片。從實測成果看，電池的防爆片敞開的電池表面溫度在240℃左右，電池釋放出氣體，電解液部分燃燒，不呈現(xiàn)爆破現(xiàn)象。火焰熄滅后電池殼體結(jié)構(gòu)也并未遭到破壞。依據(jù)UL1642要求試驗進(jìn)程中單體電池的全部和部分不應(yīng)該穿透鋼絲網(wǎng)，從試驗成果標(biāo)明安全性到達(dá)UL規(guī)范。

現(xiàn)在小型圓柱電池現(xiàn)已許多使用于電動轎車中，為了驗證電池在轎車事端中的安全性，對整車進(jìn)行了磕碰測驗。磕碰規(guī)范按C-NCAP進(jìn)行。對該車別離進(jìn)行時速50公里與剛性固定妨礙100%堆疊率正面磕碰，時速56公里對可變形妨礙40%堆疊率的正面偏置磕碰，可變形移動妨礙時速50公里與車輛的旁邊面磕碰。圖8為整車磕碰后的相片。從磕碰后車輛取下電池進(jìn)行檢測，電池組基本無缺，無冒煙，無燃燒。整車磕碰試驗驗證了小型圓柱電池使用于電動轎車的安全優(yōu)勢。