软包动力电池全生命周期安全研究进展

第二届新能源汽车及动力电池（CIBF深圳）国际交流会 软包动力电池全生命周期安全研究进展 从长杰 天津市捷威动力工业有限公司 *Informationinthisdocumentistypicalperformanceandmaybesubjecttochangewithoutnotice. JEVEConfidential1 1.动力电池全生命周期应用背景 目录2.软包动力电池全生命周期评价内容 3.软包动力电池全周期特征演变 4.公司介绍 *Informationinthisdocumentistypicalperformanceandmaybesubjecttochangewithoutnotice. JEVEConfidential2 动力电池全生命周期应用背景 •锂离子电池全生命寿命评价涉及性能、寿命、安全性及可靠性等系统性评价。 性能 -续航 -加速 -快充 -冷启动 … 寿命 主机厂 车型 电池质保 电池寿命SOH 特斯拉 ModelX/Y 8年不限里程 蔚来 ES6 终身免费质保 比亚迪 秦ProEV 终身免费质保 北汽新能源 EU系列 8年或15万公里 ≥70% 上汽新能源 荣威MarvelX 8年或15万公里 ≥70% 广汽新能源 AionS 8年或15万公里 ≥70% 长安新能源 逸动EV 8年或15万公里 ≥70% -存储 -循环 … NIO eS6 4.7s 0~200km/h加速 33.9m 200-0km/h制动距离 200km/h 最高车速 低温下，用户在进车后立马启动车辆，看它是否能够启动 可靠性 -高温 -高湿 -低温 -高海拔 -热冷冲击 … *Inf3ormationinthisdocumentistypicalperformanceandmaybesubjecttochangewithoutnotice. 安全性 -存放安全性 -充电安全性 -驾驶安全性 … JEVEConfidential3 动力电池全生命周期应用背景 测试评价与电池设计 主机厂对动力电池生命周期不同阶段提出了明确要求，BOL、EOW、EOL等;研究动力电池全生命周期性能有助于深入了解电池特性、制定针对性应用策略. 规格需求 数据分析系统 方案设计 产品开发 设计参 材料、半成品和产数 品性能之间关系 差距分析失效分析可靠性分析寿命预测 果 结 & 数 试 参 测 测试验证 测试矩阵 工艺参数 (不同阶段) 应用工况 应用策略 策略调整 全生命周期电化学模型 整车实际运行 数据监测与预警系统 过程工序评价等 生产试制 *Informationinthisdocumentistypicalperformanceandmaybesubjecttochangewithoutnotice. JEVEConfidential4 动力电池全生命周期应用背景 产品全生命周期开发及反馈系统 设计提升与反馈 机理研究与材料评价电芯安全边界评价热扩展抑制设计 全生命周期测试评价系统 内短路诱因识别与控制 热稳定研究与应用 应用策略制定与反馈 运行异常监控及反馈 特征参数提取 异常反馈与处置 *Informationinthisdocumentistypicalperformanceandmaybesubjecttochangewithoutnotice. JEVEConfidential5 软包动力电池全生命周期评价内容 全周期安全评价维度-系统/模组层级 结构一致性安全 结构可靠性安全 结构膨胀安全 结构各向挤压安全 绝缘耐压安全 热扩散预警安全 模组热安全 GB38031 UN38.3 ECER100 ISO12405 … 结构安全 模组安全 法规安全 电气安全 环境安全 低压电气安全 高压电气安全 IP等级 耐盐雾腐蚀 温度冲击 湿热循环 *Informationinthisdocumentistypicalperformanceandmaybesubjecttochangewithoutnotice. JEVEConfidential6 软包动力电池全生命周期评价内容 全周期安全评价维度-电芯层级 极耳、封边的 封装可 靠性 电性能 安全边界 结构与界面 标准 安全 劣化分析 封装可靠性HPPC//倍率//存储 不同工况//内短路边界 结构//外观//界面 GB38031-2020 电位//热稳定性//材料结构 *Informationinthisdocumentistypicalperformanceandmaybesubjecttochangewithoutnotice. JEVEConfidential7 模组内膨胀力 实验采集：使用薄膜压力传感器测试模组循环过程中的膨胀力 测试结果：根据泡棉压缩曲线，400周之前为泡棉压缩阶段，膨胀力7.7KN；400-1400周为框架压缩阶段，膨胀力10.9KN； 软包动力电池生命周期特征演变 测试膨胀力 KN 模拟框架极限膨胀力KN 是否满足强度要求 10.9 19 Yes 结论：测试膨胀力小于框架极限承载膨胀力，满足强度要求。 仿真结果：框架极限承载力19KN。 *Informationinthisdocumentistypicalperformanceandmaybesubjecttochangewithoutnotice. JEVEConfidential8 软包动力电池生命周期特征演变 阻抗变化 •循环后电池内阻增长到50%，甚至更高；尤其关注低SOC和高SOC阻抗较搞区间，随循环进行，热管理的难度会增大。 循环前循环1000周 622/石墨体系循环@25℃放电DCR 622/石墨体系循环@45℃放电DCR 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 0 0 100%80%60%40%20%0% SOC/% 100%80%60%40%20%0% SOC/% 循环前 循环1000周 5 4 622/石墨体系循环@25℃充电DCR 循环前 循环1000周 622/石墨体系循环@45℃充电DCR 5 循环前 4 循环1000周 3 3 2 2 1 1 0 100%80% 60%40%20% SOC/% 0% 0 100%80%60%40%20%0%SOC/% 811/10.5%SiO体系循环@25℃放电DCR 5811/10.5%SiO体系循环@45℃放电DCR 5 4 4 3 3 2 2 1 1 循环前 循环1000周 0 100%80%60%40%20% 0% 0 100%80%60%40%20%0% SOC/% SOC/% 循环前 循环1000周 811/10.5%SiO体系循环@25℃充电DCR 5 4 3 2 1 0 100%80%60%40%20%0%SOC/% 循环前 循环1000周 循环前 循环1000周 DCR/mΩ DCR/mΩ DCR/mΩ DCR/mΩ 5811/10.5%SiO体系循环@45℃充电DCR4 DCR/mΩ DCR/mΩ DCR/mΩ DCR/mΩ 3 2 1 0 100% 80% 60% 40% 20%0% SOC/% *Informationinthisdocumentistypicalperformanceandmaybesubjecttochangewithoutnotice. JEVEConfidential9 软包动力电池生命周期特征演变 阻抗变化 622-石墨体系循环后EIS对比 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 00.511.522.533.544.5 Z'/mΩ 循环前 循环1000周 2.5 622-石墨体系循环后阻抗拟合结果 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 Rs RSEI Rct 循环前 循环1000周 Z''/mΩ R/mΩ •与常规体系相比，SiO在生命后期的开裂越来越深，表现为RSEI和Rct成倍增长。 循环后期-开裂的SiO和正常的石墨 循环前 循环1000周 1.0 0.8 811-硅碳体系循环后EIS对比 循环前 循环1000周 811-硅碳体系循环后阻抗拟合结果 2.5 循环后期-SiO剖面 2.0 0.6 1.5 0.4 1.0 0.2 0.5 0.0 0.00.51.01.5 2.02.53.03.54.04.5 Z’/mΩ 0.0 Rs RSEI Rct Z‘’/mΩ R/mΩ *Informationinthisdocumentistypicalperformanceandmaybesubjecttochangewithoutnotice. JEVEConfidential10 软包动力电池生命周期特征演变 内短路耐受性 •为了明确电池在全生命周期的内短路耐受性，测试了电池的内短路耐受深度边界、内短路阻值边界。 不锈钢针 电芯 气凝胶不锈钢夹板 静态刺入深度边界： ①在55℃烘箱里，使用φ3mm钢针，以0.1mm/s的速度推进，直 到刺穿满电电芯； ②从数据中读取温度骤升时的钢针刺入深度； ③将下次刺入深度调整为热失控时的刺入深度-0.5（mm）; ④反复调节深度，直至刺入后电池不冒烟。 ⑤电芯内短路耐受深度=钢针刺入深度-电芯变形深度-铝塑膜厚 充电的影响： ①调节电池的起始SOC； ②模拟工况，在电池充电至不同电量时刺入，得到充电时的内 短路耐受深度。 *Informationinthisdocumentistypicalperformanceandmaybesubjecttochangewithoutnotice. JEVEConfidential11 软包动力电池生命周期特征演变 内短路耐受性 •通过对比电池静态、充电态下的针刺点温升，发现内短路与充放电行为关系不大，与电池的温度和荷电状态关联较大。 *Informationinthisdocumentistypicalperformanceandmaybesubjecttochangewithoutnotice. JEVEConfidential12 软包动力电池生命周期特征演变 内短路耐受性 •随着镍含量、能量密度的提高，针刺耐受深度呈下降趋势；循环后的针刺耐受性远高于循环前，因内短路导致的热失控风险大幅下降。 12 10 循环前后的满电内短路耐受深度@55℃ 循环前约1000周 8 6 4 2 0 111 523 622 712 811 深度（mm） •循环后针刺耐受性提高的原因：极片电子阻抗增加、短路放热量下降。 *Informationinthisdocumentistypicalperformanceandmaybesubjecttochangewithoutnotice. JEVEConfidential13 软包动力电池生命周期特征演变 热稳定性 循环1000周各体系电池热失控曲线相比，高镍811体系热失控最高温度超过800℃。 测试方法： ①将电芯主体边缘用夹条夹紧，夹条应超出电芯主体约5mm，保证隔膜边缘被夹住； ②在25℃±3℃下，以2℃/min的速率升温，直至电芯发生热失控。 *Informationinthisdocumentistypicalperformanceandmaybesubjecttochangewithoutnotice. JEVEConfidential14 软包动力电池生命周期特征演变 热稳定性 不同体系循环前后的热失控拐点温度 250 200 150 100 50 0 111 523 622 712 811 热失控温度（℃） •对比不同体系循环前后的热失控拐点，随着能量密度提升(镍含量提高)、热失控拐点逐渐降低,但是循环前后相差不大，拆解后电池界面良好。 循环前约1000周 *Informationinthisdocumentistypicalperform