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作者：馬麗婭(圖片), 郭寶輝
單位：天津中電新能源研究院有限公司
引用：馬麗婭, 郭寶輝. 儲能模組失效分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J]. 儲能科學(xué)與技術(shù), 2023, 12(7): 2194-2201.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0326
摘 要 目前行業(yè)內(nèi)通過對鋰電池模組循環(huán)特性的研究，確定影響模組循環(huán)性能的主要因素是模組膨脹力。經(jīng)研究，發(fā)現(xiàn)了儲能模組循環(huán)衰減特性的失效機(jī)理，并且通過改善儲能模組結(jié)構(gòu)能夠大幅度減小模組膨脹力的增大和延長模組的循環(huán)壽命。首先，從失效機(jī)理上準(zhǔn)確識別因果關(guān)系和相關(guān)關(guān)系；其次，提供一種電芯間泡棉尺寸及粘接位置的確定方法，從而優(yōu)化儲能模組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。最后，以磷酸鐵鋰280 Ah電芯1并8串(1P8S)儲能模組為研究對象，堆疊1并8串(1P8S)常規(guī)儲能模組1-1、1并8串(1P8S)優(yōu)化儲能模組2-1進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。通過在環(huán)境溫度25 ℃，循環(huán)制式為階梯充電/0.5 C (140 A)放電的條件下進(jìn)行模組循環(huán)測試。結(jié)果表明，優(yōu)化儲能模組2-1在充電末端的平均壓差降低了24%，在放電末端的平均壓差降低了37.7%；優(yōu)化儲能模組2-1在充電末端的平均溫差降低了約5 ℃，在放電末端的平均溫差降低了約6 ℃。且優(yōu)化儲能模組2-1的容量保持率曲線亦優(yōu)于常規(guī)儲能模組1-1。
關(guān)鍵詞 膨脹力；泡棉；儲能模組；循環(huán)性能
電芯是儲能系統(tǒng)的最小電能存儲單元，當(dāng)多只電芯按照串聯(lián)、并聯(lián)或串并混聯(lián)方式被同一個外殼框架捆扎在一起時，就組成了一個儲能模組，當(dāng)數(shù)個儲能模組被BMS和熱管理系統(tǒng)共同控制或管理后，就組成了儲能系統(tǒng)。目前在儲能領(lǐng)域，主流選用鋁殼鋰離子電芯。因鋰離子電芯是一個電-熱-力耦合系統(tǒng)，在使用過程中存在膨脹問題進(jìn)而造成模組的膨脹力增大，一方面電芯在充放電時，鋰離子在正負(fù)極材料間的嵌入與脫出會引起電極結(jié)構(gòu)上的相變，從而導(dǎo)致膨脹現(xiàn)象的產(chǎn)生，主要體現(xiàn)在負(fù)極極片厚度方向上的增大，正極極片的晶格常數(shù)引起的變化較小，對電芯厚度的變化影響不大，因此負(fù)極極片的厚度增大是導(dǎo)致電芯厚度增加的主要因素；另一方面，隨著電芯的循環(huán)過程，隔膜收縮和負(fù)極片膨脹造成電芯內(nèi)部應(yīng)力持續(xù)上升，最終表現(xiàn)為“S”型變形，由此也將導(dǎo)致電芯厚度進(jìn)一步增加。電芯厚度的增加造成模組膨脹力持續(xù)增大。電芯厚度增大不是短時間凸顯的，而是隨著充放電次數(shù)的增加逐漸顯現(xiàn)。隨著電芯充放電循環(huán)次數(shù)的增加，模組的膨脹力也不斷增加。不斷增長的膨脹力與儲能模組容量的快速衰減呈現(xiàn)強(qiáng)烈的相關(guān)關(guān)系[圖1(a)]，模組膨脹力達(dá)到一定程度時也將造成模組框架結(jié)構(gòu)失效等問題[圖1(b)]。
圖1 模組膨脹力的影響 (a) 模組膨脹力與模組容量衰減曲線；(b) 模組框架失效示意圖
為了解決模組膨脹力的問題，當(dāng)前主流設(shè)計(jì)是在模組中相鄰電芯間預(yù)留間隙，選擇1～3 mm厚的窄條狀背膠泡棉將多個電芯堆疊成模組(圖2)。背膠泡棉的形狀多為窄條形，或在電芯黏接面上沿電芯四邊的位置進(jìn)行回字形粘接，或在電芯黏接面上的左右兩邊位置粘接，或在電芯黏接面上的上下兩邊位置粘接。此種設(shè)計(jì)可使得電芯間留有能夠吸收電芯膨脹的間隙，由此可大幅度降低由于電芯膨脹導(dǎo)致的模組膨脹力過大的問題。
圖2 電芯與泡棉成組示意圖
由于增加了電芯間間隙，模組框架結(jié)構(gòu)失效問題得以解決，但容量快速衰減問題仍未解決。因鋁殼電芯主要由電芯外殼、極組組成[圖3(a)]。電芯內(nèi)極組形式一般為卷繞式和疊片式兩種，電芯的正極片、隔膜和負(fù)極片近乎平行緊密層疊在一起[圖3(b)]。結(jié)合鋁殼電芯的結(jié)構(gòu)形式，當(dāng)前主流設(shè)計(jì)方案中電芯間留有1～3 mm的間隙，模組進(jìn)行充放電循環(huán)時，為電芯的鼓脹預(yù)留了鼓脹空間，導(dǎo)致極組易發(fā)生“S”型形變[圖3(c)]，極片與隔膜之間出現(xiàn)間隙，造成活性鋰離子的損失和模組容量的快速衰減。
圖3 鋁殼電芯 (a) 電芯組成；(b) 極組形式；(c) 電芯“S”型變形
1 機(jī)理分析
結(jié)合鋁殼電芯結(jié)構(gòu)形式及模組主流設(shè)計(jì)方案，模組失效機(jī)理分析如下[圖4(a)]：
圖4 機(jī)理分析 (a) 失效機(jī)理分析；(b)～(e) 泡棉粘接位置示意圖
（1）模組膨脹力是由電芯膨脹產(chǎn)生的，而電芯膨脹力的產(chǎn)生，主要是由負(fù)極片膨脹引起的極組膨脹變形，隨著電芯的變形加劇，模組的膨脹力也會不斷增大，將會造成模組尺寸變化，甚至破壞模組的結(jié)構(gòu)框架；
（2）極組變形會導(dǎo)致極組內(nèi)部的正極片、隔膜和負(fù)極片的接觸界面出現(xiàn)間隙，進(jìn)而造成鋰損失，因此出現(xiàn)電芯和儲能模組容量快速衰減的現(xiàn)象；
（3）傳統(tǒng)認(rèn)知將模組膨脹力和容量衰減的相關(guān)關(guān)系誤認(rèn)為是因果關(guān)系，因此希望通過抑制模組膨脹力進(jìn)而解決容量快速衰減的問題，由失效機(jī)理得知，不能通過這一方向解決容量快速衰減的問題，只有改善二者的共同因子才能解決這兩個問題。
而導(dǎo)致模組結(jié)構(gòu)框架破壞和容量快速衰減的共同原因是電芯極組膨脹變形、充放電過程中負(fù)極片膨脹和負(fù)極片碾壓密度大，而在模組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中更容易實(shí)現(xiàn)對電芯極組變形因子的管控，根據(jù)失效機(jī)理分析能夠抑制極組變形即可很大程度上改善模組結(jié)構(gòu)框架破壞和容量快速衰減這兩個問題。目前電芯與電芯間放置墊片，主要形式有如圖4(b)、(c)、(d)三種形式。這幾種形式都是給電芯膨脹預(yù)留間隙，允許極組膨脹。新鮮電芯的正極片、隔膜和負(fù)極片是近乎平行緊密地層疊在一起，如果預(yù)留出膨脹的空間，電芯的正極片、隔膜和負(fù)極片就會變成“S”型形狀，導(dǎo)致極片與隔膜間出現(xiàn)間隙，最終造成鋰損失加劇，導(dǎo)致容量快速衰減。為保證電芯的正極片、隔膜和負(fù)極片是近乎平行緊密地層疊在一起，就要在模組設(shè)計(jì)時，按照圖4中(e)所示設(shè)計(jì)泡棉尺寸和粘貼位置。利用泡棉的彈性和模組綁帶的束縛力，有效擠壓極組，抑制極組變形的發(fā)生，保證電芯內(nèi)部正極片、隔膜和負(fù)極片盡量貼合緊密。
2 確定泡棉尺寸及粘接位置
2.1 建立關(guān)系方程
泡棉和電芯之間應(yīng)滿足如下尺寸關(guān)系：
W=Wp+2 λW
H=Hp+2 βH
其中，W為電芯的寬度；H為電芯的高度；Wp為泡棉的寬度；Hp為泡棉的高度；λ為在電芯寬度方向上，泡棉單邊預(yù)留空間與電芯寬度的比系數(shù)；β為在電芯高度方向上，泡棉單邊預(yù)留空間與電芯高度的比系數(shù)(圖5)。
圖5 泡棉與電芯尺寸參數(shù)
2.2 確定λ、β比系數(shù)
（1）根據(jù)電芯殼體特性可知，電芯中間大面區(qū)域剛度較低，電芯外殼四周位置剛度較高[圖6(a)]。
圖6 電芯殼體及泡棉黏接位置剖面：(a) 電芯殼體剛度分布示意圖；(b)、(c)、(d) 泡棉、電芯截面示意圖
（2）極組入殼后，并未與電芯外殼內(nèi)壁緊密貼合，而是留有間隙，便于極組入殼。入殼比為90%～95%。
綜上所述，當(dāng)λ<3%、β<3%時，泡棉的邊界黏接位置落于電芯外殼黏接面上剛度較高的區(qū)域，導(dǎo)致泡棉的彈性不能全部作用到極組，抑制極組產(chǎn)生“S”型變形的效果不佳[圖6(b)]。
當(dāng)λ>20%、β>30%時，泡棉相對極組尺寸，邊緣預(yù)留空間太大，泡棉不能完全擠壓到電芯中的極組，因此不能避免電芯內(nèi)未受擠壓部分極組產(chǎn)生S型變形[圖6(c)]。
當(dāng)λ=20%、β=30%時，利用泡棉的彈性和模組外框架的束縛力，擠壓電芯內(nèi)的極組，擠壓力使得電芯鋁殼中間向內(nèi)凹陷，對電芯內(nèi)極組進(jìn)行擠壓，保證泡棉與電芯外殼、電芯內(nèi)部正極片、隔膜和負(fù)極片緊密貼合，從而消除電芯內(nèi)極組產(chǎn)生“S”型形變的空間[圖6(d)]。
綜上，確定比系數(shù)λ、β取值如下：
λ=3%～20%；
β=3%～30%；
3 實(shí)驗(yàn)部分
3.1 實(shí)驗(yàn)對象
本實(shí)驗(yàn)選取同批同檔的廈門海辰新能源科技有限公司生產(chǎn)的標(biāo)稱容量280 Ah的磷酸鐵鋰電芯，以280 Ah-1P8S儲能模組為驗(yàn)證對象，堆疊常規(guī)儲能模組1-1、優(yōu)化儲能模組2-1進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。根據(jù)280 Ah電芯規(guī)格書可得電芯的寬度W=174.70 mm，電芯高度H=204.70 mm (不包含極柱高度)，電芯厚度T=71.65 mm。
3.1.1 常規(guī)儲能模組1-1
①電芯間泡棉的寬度Wp=30 mm，泡棉的高度Hp=180 mm。
②泡棉厚度Tp=3 mm。
③泡棉雙面背膠。
根據(jù)上述信息制作280 Ah-1P8S常規(guī)儲能模組1-1，該儲能模組中包括8只電芯，每兩只電芯之間粘接兩張上述尺寸泡棉，即共計(jì)14張泡棉[圖7(a)]。儲能模組1-1爆炸圖如圖7(b)所示：圖中8是窄條泡棉。
圖7 泡棉粘接位置及模組爆照圖 (a)、(c) 泡棉粘接位置示意圖；(b)、(d) 模組爆炸圖
3.1.2 優(yōu)化儲能模組2-1
①確定比系數(shù)λ、β：
λ取值10%，β取值15%。
②計(jì)算泡棉的尺寸：
泡棉的寬度Wp=W-2 λW=174.70-174.70×10%≈140 mm；
泡棉的高度Hp=H-2 βH=204.70-204.70×15%≈143 mm。
③確定泡棉的粘接位置：
泡棉沿電芯寬度方向的單邊預(yù)留空間尺寸λW=174.70×10%≈17.5 mm；
泡棉沿電芯高度方向的單邊預(yù)留空間尺寸βH=204.70×15%≈30.7 mm。
④泡棉厚度Tp=3 mm。
⑤泡棉雙面背膠。
根據(jù)上述數(shù)據(jù)制作280 Ah-1P8S優(yōu)化儲能模組2-1，該儲能模組中包括8只電芯，每兩只電芯之間粘接一張泡棉，即共計(jì)7張泡棉。泡棉粘接位置如圖7(c)所示，優(yōu)化儲能模組2-1爆炸圖如圖7(d)所示，圖中8是改制泡棉。
3.2 實(shí)驗(yàn)樣本采集點(diǎn)布置及設(shè)備
3.2.1 采集點(diǎn)布置
為了監(jiān)測儲能模組在充放電循環(huán)過程中溫度及電壓的變化，需對常規(guī)儲能模組1-1與優(yōu)化儲能模組2-1進(jìn)行溫度及電壓的采集，溫度點(diǎn)、電壓點(diǎn)布置如圖8(a)所示。如圖所示，常規(guī)儲能模組1-1與優(yōu)化儲能模組2-1分別布置溫度采集點(diǎn)6個，電壓采集點(diǎn)8個。其中T1、T2、T3三個綠色標(biāo)識溫度采集點(diǎn)分別布置在電芯C1與C2、C3與C4、C4與C5之間電芯大面中間位置，如圖8(b)所示，紅色標(biāo)識區(qū)域即為溫度采集點(diǎn)粘接位置。T4、T5、T6三個紅色標(biāo)識溫度采集點(diǎn)分別布置在C1與C2、C3與C4、C5與C6的串聯(lián)匯流排上。
圖8 溫度、電壓采集點(diǎn)布局：(a) 溫度、電壓布置；(b) 電芯間溫度點(diǎn)位置；(c)、(d) 模組1-1、2-1實(shí)驗(yàn)測試圖
3.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備
本實(shí)驗(yàn)所使用充放電循環(huán)測試設(shè)備是福建星云電子股份有限公司生產(chǎn)的型號為BAT-NE-450100050002-V001的設(shè)備。
3.3 實(shí)驗(yàn)方法
常規(guī)儲能模組1-1與優(yōu)化儲能模組2-1在相同測試環(huán)境下(室溫25 ℃，放置在同一個實(shí)驗(yàn)房間)，按以下測試流程圖進(jìn)行循環(huán)測試，循環(huán)測試放電深度(depth of discharge，DOD) 100%。流程圖如圖9所示。
圖9 實(shí)驗(yàn)方法流程圖
4 結(jié)果與討論
4.1 充放電末端壓差曲線的變化
圖10(a)為常規(guī)儲能模組1-1和優(yōu)化儲能模組2-1在相同測試環(huán)境下進(jìn)行循環(huán)測試時，充電末端壓差曲線對比圖。從圖中可以看出，隨著充放電過程的進(jìn)行，常規(guī)儲能模組1-1與優(yōu)化儲能模組2-1在充電末端的壓差具有相似的變化趨勢，但在充電末端常規(guī)儲能模組1-1的壓差值一直高于優(yōu)化儲能模組2-1的壓差值。對圖中所示350次循環(huán)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，常規(guī)儲能模組1-1的充電末端壓差平均值為264 mV，優(yōu)化儲能模組2-1的充電末端壓差平均值為201 mV。優(yōu)化儲能模組2-1在循環(huán)測試中，充電末端壓差相較于常規(guī)儲能模組1-1降低了23.8%。
圖10 壓差對比曲線：(a) 充電末端壓差曲線；(b) 放電末端壓差曲線
圖10(b)為常規(guī)儲能模組1-1與優(yōu)化儲能模組2-1在相同測試環(huán)境下進(jìn)行循環(huán)測試時，放電末端壓差曲線對比圖。從圖中可以看出，隨著充放電過程的進(jìn)行，常規(guī)儲能模組1-1與優(yōu)化儲能模組2-1在放電末端的壓差具有相同的變化趨勢，變化趨勢較為平緩。但二者放電末端的壓差值有比較大的差異性。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，優(yōu)化儲能模組2-1的放電末端壓差在圖10(b) 350次循環(huán)過程中的平均值為189 mV，常規(guī)儲能模組1-1的放電末端壓差在圖10(b) 350次循環(huán)中的平均值為298 mV。優(yōu)化儲能模組2-1在循環(huán)測試中，放電末端壓差相較于常規(guī)儲能模組1-1降低了37.7%。
4.2 循環(huán)測試中溫度的變化
圖11(a)為常規(guī)儲能模組1-1和優(yōu)化儲能模組2-1在相同測試環(huán)境下進(jìn)行循環(huán)測試時，充電末端溫差曲線的對比圖。由圖11可知，在充電末端常規(guī)儲能模組1-1的溫差值一直高于優(yōu)化儲能模組2-1的溫差值。且常規(guī)儲能模組1-1的溫差曲線波動較大，優(yōu)化儲能模組2-1的溫差曲線波動逐漸趨于平緩。對圖中所示350次循環(huán)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，常規(guī)儲能模組1-1的充電末端溫差平均值為9.9 ℃，優(yōu)化儲能模組2-1的充電末端溫差平均值為4.9 ℃。
圖11 溫差對比曲線：(a) 充電末端溫差對比曲線；(b) 放電末端溫差對比曲線
此外，常規(guī)儲能模組1-1在充電末端時最高溫度點(diǎn)體現(xiàn)在圖8(a)所示的T2、T3兩點(diǎn)，而充電末端最低溫度點(diǎn)一致體現(xiàn)在圖8(a)所示的T4點(diǎn)。優(yōu)化儲能模組2-1在充電末端時最高溫度點(diǎn)一致體現(xiàn)在圖8(a)所示的T2點(diǎn)，而充電末端最低溫度點(diǎn)體現(xiàn)在圖8(a)所示的T4、T6兩點(diǎn)。
圖11(b)為常規(guī)儲能模組1-1和優(yōu)化儲能模組2-1在相同測試環(huán)境下進(jìn)行循環(huán)測試時，放電末端溫差曲線的對比圖。由圖11(b)可知在放電末端常規(guī)儲能模組1-1的溫差值一直高于優(yōu)化儲能模組2-1的溫差值。且常規(guī)儲能模組1-1的溫差曲線波動較大，優(yōu)化儲能模組2-1的溫差曲線波動逐漸趨于平緩。對圖中所示350次循環(huán)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，常規(guī)儲能模組1-1的放電末端溫差平均值為8.5 ℃，優(yōu)化儲能模組2-1的放電末端溫差平均值為2.6 ℃。
此外，常規(guī)儲能模組1-1在放電末端時最高溫度點(diǎn)體現(xiàn)在圖8(a)所示的T2、T3兩點(diǎn)，而放電末端最低溫度點(diǎn)一致體現(xiàn)在圖8(a)所示的T4點(diǎn)。優(yōu)化儲能模組2-1在放電末端時最高溫度點(diǎn)一致體現(xiàn)在圖8(a)所示的T2、T1兩點(diǎn)，而放電末端最低溫度點(diǎn)體現(xiàn)在圖8(a)所示的T4、T6兩點(diǎn)。
4.3 循環(huán)測試中容量保持率的變化
圖12為常規(guī)儲能模組1-1與優(yōu)化儲能模組2-1在相同測試環(huán)境下進(jìn)行循環(huán)測試時，模組容量保持率的對比圖。從圖中可以看出，隨著循環(huán)測試的進(jìn)行，常規(guī)儲能模組1-1與優(yōu)化儲能模組2-1的容量保持率曲線具有相同的變化趨勢，且容量保持率曲線較為平緩。但優(yōu)化儲能模組2-1的放電容量一直高于常規(guī)儲能模組1-1的放電容量。
圖12 容量保持率對比曲線
5 結(jié)論
首先，本工作應(yīng)用失效機(jī)理分析方法，確定模組框架破壞和容量衰減都是由于負(fù)極片碾壓密度大引起的極組膨脹變形，進(jìn)而造成極片與隔膜之間出現(xiàn)間隙，活性鋰損失，最終結(jié)果才是模組膨脹力增大和模組容量衰減。
其次，建立泡棉尺寸及粘接位置與電芯的關(guān)系方程。
W=Wp+2 λW
H=Hp+2 βH
確定比系數(shù)λ=3%～20%、β=3%～30%。
最后，堆疊常規(guī)儲能模組1-1、優(yōu)化儲能模組2-1，進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。同等測試條件下，在350次的循環(huán)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中，得到如下結(jié)論：
（1）優(yōu)化儲能模組2-1在充放電末端的壓差值均低于常規(guī)儲能模組1-1。優(yōu)化儲能模組2-1的充電末端壓差值降低了約23.8%，放電末端壓差值降低了約37.7%。
（2）優(yōu)化儲能模組2-1在充放電末端的溫差值均低于常規(guī)儲能模組1-1。優(yōu)化儲能模組2-1的充電末端溫差值降低了約50.5%，放電末端溫差值降低了約69.4%。
（3）優(yōu)化儲能模組2-1的容量保持率曲線優(yōu)于常規(guī)儲能模組1-1。二者的容量衰減速率接近，但優(yōu)化模組2-1的放電容量一直高于常規(guī)模組1-1。
（4）優(yōu)化儲能模組2-1與常規(guī)儲能模組1-1在充放電末端的最高、最低溫度點(diǎn)位置基本一致。
