鉅大LARGE | 點擊量：6129次 | 2021年06月04日
32650鋰離子電池的介紹及安全性分析
32650鋰離子電池簡介
鋰離子電池26650，目前重要用來替代傳統的鎳鉻、鎳氫電池，用于礦燈、手電筒、電動工具、玩具、儀器儀表、ups后背電源、通訊設備、醫療設備以及特種燈等領域。
其型號的含義法則為：26650型，即指電池的直徑為26mm，長度為65mm，圓柱體型的電池。一般用于稱呼鋰離子電池，包括鋰一次電池和鋰離子蓄電池。常見的有用鎳鈷錳正極材料、磷酸鐵鋰材料做成的鋰離子電池INR26650-3.6V-4500mAh、IFR26650-3.2V-3200mAh。
26650鋰離子電池的優勢
26650鋰離子電池，目前重要用來替代傳統的鎳鉻、鎳氫電池，用于礦燈、手電筒、電動工具、玩具、儀器儀表、ups后背電源、通訊設備、醫療設備以及特種燈等領域。其優勢，相關于鎳鉻、鎳氫電池而言，重要體現在以下幾個方面：
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
1、能量密度高，自放電率低
26650鋰離子電池的容量是同等質量的鎳氫電池的1.5--2倍，同時，國內的26650鋰離子電池內阻小于60m，極大的降低了電池的自耗電，在延長使用時間的同時能夠延長電池的使用壽命。
2、充放電性能穩定
26650鋰離子電池沒有記憶效應，遇熱不分解，安全性能高，壽命循環長。
3、電壓高
26650鋰離子電池電壓一般都在3.6、3.7V以上，遠高于鎳鉻、鎳氫電池。
4、可以串聯或者并聯使用組合成18650鋰離子電池組
5、環保無污染
32650鋰離子電池安全嗎_32650鋰離子電池的安全性分析
26650鋰離子電池充放電原理及過程
26650鋰離子電池之所以能夠進行充電放電，是隨其正極上的活性鋰離子運動而進行的。即：對電池進行充電時，鋰離子電池正極上有活性鋰離子生成，運動到負極，嵌入到負極的層狀結構當中。負極的材料體系是石墨，是呈層狀結構的碳，它有很多微孔，當鋰離子運動到負極時，就會嵌入微孔當中，嵌入微孔的鋰離子越多，充電容量越高。
同樣道理，當電池放電時，嵌入在負極碳層中的鋰離子脫出，運動到正極，回到正極的鋰離子越多，放電容量就越高。而我們通常所指的26650鋰離子電池的容量大小，即是指放電容量。
圓柱形32650鋰離子電池的安全性分析
動力鋰離子電池通常來說是指能夠通過大電流放電給設備、器械、車輛等供應動力的鋰離子電池。動力鋰離子電池具有比能量高、大電流充放電、循環壽命長等特點，已經獲得廣泛應用。動力鋰離子電池根據正極材料的不同分為三元、鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰等類型；根據外形的不同分為方型電池（prismatic），圓柱型電池（cylindrical）等。為提高續航里程，動力鋰離子電池通過串并聯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。隨著攜帶能量的提高，電池潛在危險性也隨之增大。因此如何提高動力鋰電池的安全性成為電動汽車持續發展的重要前提。在動力鋰離子電池的發展過程中，一直存在著兩個發展方向。一個方向是大單體電池，通過少量并聯組合；一個方向是小單體電池，通過大量并聯組合。韓國LG，國內BYD為代表的公司走的是大方型路線；美國A123，國內沃特瑪為代表的公司走的是小型圓柱路線。這兩條路線目前沒有定論，不同的動力鋰電池廠家依據自己的理解選擇不同的工藝路線。但是在面對安全性這一指標方面，兩種工藝路線的結果差別是非常大的。本文從動力鋰電池結構、性能方面，特別是安全性方面進行比較分析，來闡述小型圓柱電池在應用于電動汽車等方面的安全優勢。
電池結構、性能比較分析
圓柱形電池和方型電池是目前業界兩大主流方向。圓柱型電池的基本結構如圖1所示。正負極之間由隔膜分開，通過卷繞形成卷芯。通常正負極極片焊接有正負極極耳并分別通過兩側引出。極耳焊接于正極和負極外殼。電解液加注于殼體內。圖2為方型電池結構。方型電池的結構分疊片結構和卷繞結構。疊片式方型鋰離子電池由n片正極片和n+1片負極片疊片組成電池芯胞，正負極片之間用隔膜隔開，分別在正、負極片的一側預留有正、負極耳區，疊成芯胞時正、負極耳分別從芯胞兩側對稱伸出。方型電池的卷繞結構和圓柱型電池的卷繞結構類似，其差別是卷心是扁平形狀而非圓柱型。由于圓柱型電池和方型電池形狀的不同，結構差別較大。一般情況下，圓柱型電池由于卷芯電流密度和散熱的限制，容量不能做得太大。方型電池保證厚度適當的前提下，通過增大長、寬可以提高容量。其單體容量一般可以超過圓柱型電池的10倍以上。表1為圓柱型和方型電池的性能比較?？梢钥闯鰞煞N電池具有各自的特色。圓柱形電池結構設計簡單，正負極界面緊密，生產線成熟，成本低，成組散熱好，安全性能優秀。其缺點是內阻相對較高，成組要求高。方型電池的優勢是單體容量大組合簡單。其缺點是生產工藝復雜，大容量電池單體一致性難控制。另外，方型殼體容易出現應力集中，殼體容易破裂，電解液濺出引發安全隱患。
從全球應用市場來看，大容量方型電池和小容量圓柱型電池在動力領域都有應用。目前磷酸鐵鋰離子電池行業的標桿公司，美國A123的主打產品為18650/26650/32113三種型號的圓柱型電池，單體容量分別為2.5Ah-5Ah。
32650鋰離子電池安全嗎_32650鋰離子電池的安全性分析
表1圓柱型方型電池性能比較
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圖1圓柱型電池結構
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圖2方型電池結構
安全性比較分析
1.在極端情況下的安全性比較
動力鋰電池在車輛發生嚴重事故等極端條件下的安全性是人們最為關心的問題，因為這直接關系到生命財產安全。圓柱電池容量小，通過串并組合達到動力鋰電池組的容量、電壓的要求。以目前32650電池為例，電池容量只有5Ah。而大方型電池單體容量一般都超過幾十安時，有的達到100Ah以上。在電池出現碰撞、擠壓等極端危險情況下，圓柱型小電池其釋放的能量要遠遠小于大方型電池單體。目前沃特瑪5Ah電池的電解液只有20克，而大方型電池，如50Ah單體，其電解液量要超過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。一旦在事故中某個單體電芯出現漏液，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很多。當小型圓柱電池遭到破壞，其燃燒的威力要遠遠小于大的方型電池。通過對單個電池的分離保護，某一單體電池出現問題，不會波及其他電池。通過將能量分散的方式，使電池的安全性極大提高。
在承受撞擊方面，圓柱型電池和方型電池表現差別較大。圓柱型電池相關于方型電池具有較好的抗形變能力，各個方向上受力均勻，形變保持能力是目前所有電芯工藝中很優秀的，配合自主研發的安全組合蓋帽，安全性得到了極大的提高。即使在高速沖撞擠壓過程中，圓柱形電芯有一定的變形，但也不會起火燃燒。關于方型電池，面積較大的一面容易形變，在高速沖撞擠壓過程中，電芯外殼不能很好的保證電芯內部結構，很容易導致內部正負極片的錯位短路；關于這種瞬間的沖擊，方型電芯無法迅速做出反應。
另外，關于大的方型電芯，由于其側面面積較大，承受到其他物體撞擊的概率要高得多，因此在安全事故中，單體電芯被撞壞而造成短路的可能性要比小的圓柱電芯大很多。而關于小型圓柱電池組合，一旦電池箱受到猛烈撞擊，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，而由于電芯體積較小，較大的可能性是被撞散，電池組失效。這對提高動力鋰電池組的安全性具有重大意義。因此采用小容量的圓柱型電池組合的電池組在車輛出現事故時，能夠供應更長的逃生時間。根據沃特瑪的測試，電池在烈火中焚燒，電解液噴出引發劇烈燃燒的時間在10分鐘后。
2.散熱方面的比較
在單體散熱方面，由于圓柱型電池和方型電池的形狀不同，散熱效果表現差別較大。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情況下，圓柱型小電池在散熱方面具有天然的優勢。
圓柱型電池在組合時，電池之間有縱向間隙，這為電池的散熱供應天然的散熱途徑。理論上散熱截面積至少在15.9%（緊密排列）和21.9%（立方排列）。圖3為沃特瑪圓柱電池的組合結構實物圖，可以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保證了電池的散熱效果，提高了電芯安全性。
3.安全機制比較
兩種電池結構都具有防爆安全閥。方型電池的安全閥一般位于端側，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，方型電池要遠遠小于圓柱電池。一旦電池出現失效情況，特別是極端的撞擊情況，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切斷裝置CID（CurrentInterruptDevice），如圖4所示。這一點在方型電池上很少應用。當出現外部短路或當電池內壓達到1.2MPa安全警戒值時，首先CID裝置啟動，正負極之間斷開，主動切斷電流自行保護，電池內部回路斷開；當電池內壓到1.8MPa安全警戒值時，泄壓構件安全閥會打開，氣體排出，防止爆炸風險。目前，安全型組合蓋帽工藝成熟，使圓柱型電芯的安全性得到了很好的保證。
32650鋰離子電池安全嗎_32650鋰離子電池的安全性分析
圖3圓柱型電池組合結構
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圖4圓柱電池組合蓋帽結構圖
4.成組一致性比較
眾所周知，單體電池的一致性對電池組的壽命、安全性等各個方面指標具有較大的影響。大方型電池生產工藝的復雜性決定了目前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造成影響。因為容量少，內阻高的電池更多的面對過充過放帶來的風險。圓柱電池生產工藝成熟，電池一致性較高。在電池組合后，低容量電池出現的幾率較低。即使出現低容量電池，由于多個并聯，通過自均衡的方式最大程度上消除了不一致的影響。
5.圓柱電池安全測試
為了驗證圓柱電池的安全性，對圓柱單體電池及電池組進行了安全測試。圖5為圓柱型電池組針刺實驗照片。當鋼釘穿透電池時，電池內電解液泄露，電池表面溫度急劇升高，電壓緩慢下降，電解液汽化冒出少量白煙，包裹電池用的絕緣塑料膠套被高溫熔化，過程持續大約10min后現象消失，最終短路電池電壓降為零，過程最高溫度上升到141℃。電池不爆炸，不燃燒。完全符合UL2580（及SAEJ2464）標準。圖6為圓柱型電池組撞擊測試前后的照片。電池組在遭到重物撞擊后，電池明顯受損，但電池無起火、無漏液、無冒煙或爆炸，電池電壓基本無變化。符合UL1642標準。表2為電池組進行的安全測試項目。從實測結果看，圓柱型電池表現出良好的安全性能。圖7為更為苛刻的焚燒測試過程照片。從實測結果看，電池的防爆片開啟的電池表面溫度在240℃左右，電池釋放出氣體，電解液局部燃燒，不出現爆炸現象?；鹧嫦绾箅姵貧んw結構也并未遭到破壞。根據UL1642要求實驗過程中單體電池的全部和部分不應該穿透鋼絲網，從實驗結果標明安全性達到UL標準。
目前小型圓柱電池已經大量應用于電動汽車中，為了驗證電池在汽車事故中的安全性，對整車進行了碰撞測試。碰撞標準按C-NCAP進行。對該車分別進行時速50公里與剛性固定障礙100%重疊率正面碰撞，時速56公里對可變形障礙40%重疊率的正面偏置碰撞，可變形移動障礙時速50公里與車輛的側面碰撞。圖8為整車碰撞后的照片。從碰撞后車輛取下電池進行檢測，電池組基本完好，無冒煙，無燃燒。整車碰撞實驗驗證了小型圓柱電池應用于電動汽車的安全優勢。
32650鋰離子電池安全嗎_32650鋰離子電池的安全性分析
圖5電池組針刺實驗
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圖6圓柱型電池組撞擊測試
電池在常溫下以3A（0.6C）充滿至280V（78串），靜置30min后用10kg重量從1m高處自由落下撞擊到電池上。（a）測試前；（b）測試后。
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表2沃特瑪電池組2505E（250V，5Ah）安全測試結果
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圖7圓柱型電池焚燒測試
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圖8沃特瑪電池在整車碰撞測試中表現。（a）碰撞后汽車；（b）碰撞后電池組
結論
32650-5Ah圓柱型磷酸鐵鋰離子電池，在應用于電動汽車等動力應用領域具有較高的安全特性。這是由于單體電池容量小，結構設計合理，組合結構安全等因素決定的。該型磷酸鐵鋰動力鋰電池通過串并聯組合的形式應用于動力領域是未來的發展方向。
