锂离子动力电池泄压阀设计及测试

殷久山　吕　岩　张要军

（中航锂电（洛阳）有限公司，河南　洛阳　471000）



锂离子动力电池泄压阀设计及测试

殷久山吕岩张要军

（中航锂电（洛阳）有限公司，河南洛阳471000）

摘要：锂离子电池在使用时，电池内部难免会产生气体，导致电池内部压力增大，其后果使电池壳体鼓胀、漏液甚至爆炸等严重问题。所以，电池内部一旦产生气体就必须立刻排出。因此，锂离子电池在制造过程中均需要安装泄压阀以排出内部过高的压力。基于此，通过对不同结构安全阀进行一系列的测试，分析对比出具有微孔片和橡胶帽密封结构的安全阀性能更加可靠。

关键词：锂离子动力电池；安全性；安全阀

锂离子电池在使用时如果出现短路、过充时容易在电池内部出现大量热量积聚，从而造成电池内部压力升高发生爆炸，因此锂离子电池在制造过程中均需要安装泄压阀以排出内部过高的压力。

锂电池安全阀是一种单向阀，只允许电池里的多余气体排出，不允许电池外面气体进入。且电池在短路、针刺、过充等情况时安全阀能够及时泄压，保证电池不发生爆炸［1］。

1　气体产生的机理

①电池在化成时产生气体的主要原因是电解液和电极表面在初次放电时形成了SEI层，电解液溶剂体系发生了分解，产生烃类气体。

②电池在储存阶段产生气体是：①化成首圈形成的SEI层被破坏，为了修复SEI层，之后又释放出气体，主要以烃类气体为主；②由于电池密封性能不好，外界的水分及空气的渗入，导致气体中CO2，O2及N2等的百分含量相对于化成时大大增加。

2　安全阀的设计

2.1橡胶帽、微孔滤液片式安全阀

这种阀采用橡胶帽密封，控制开闭压，微孔滤液片进行气液分离，能够确保安全阀在排气时带出电解液。电池正常工作时，安全阀处于关闭密封状态，如电池内部压力大于设定值时，安全阀将立即开启泄压，电池内部压力小于设定值时安全阀将关闭密封；电池在非正常工作时，如电池遭到挤压、穿透等异常情况造成电池短路时，电池内部压力急剧增加，安全阀阀芯结构瞬间弹出，迅速释放压力，避免电池爆炸［2］。

2.2金属弹簧式安全阀

这种金属弹簧式排气阀适用于与标准大气压有一定压差环境下的电池，密封片金属片上注塑橡胶材料，密封片压住阀口进行密封，在排气时易把气雾带出。其工作原理是利用压簧受压力变化来调整排气的通断，用以控制电池内的气体压力［3］。

3　两种安全阀性能对比测试

对两种安全阀进行开闭压测试、通气流量测试、吸气性测试、开闭阀寿命测试、耐高低温性能测试和耐酸性能测试。测试中将橡胶帽、微孔滤液片式安全阀设为“1号阀”，金属弹簧式安全阀设为“2号阀”。

3.1开闭阀压力测试

3.1.1开阀压力测试方法。将测试样品装入测试装置并浸入水中（水温20℃），液面至安全阀顶部的距离不超过5cm。打开送气开关，要求送气压力每秒上升2.5kPa以下，阀门第一次开启（开始冒气泡）后，排空腔内气体。间隔2min后再重新送气，当第二次开启（开始冒气泡），此时压力表读数即为安全阀开阀压力。

3.1.2闭阀压力测试方法。测完第二次开阀压力后停止送气，让安全阀自主将气体排出，直到停止排气（停止排气的判定，持续1min不冒气泡）时，此时压力表读数即为安全阀闭阀压力。

3.1.3测试结果。1号阀设计开闭压力25～35kPa（见表1），2号阀设计开启压力位60±20kPa（见表2）。

由以上两组数据可看出，1号阀开闭压力比较均匀一致，而2号阀开启压力精度较差，并且关闭压力很小，说明其气密性较差，存在进气导致电池鼓胀等危险。

表1　1号阀设计开闭压力

表2　2号阀设计开启压力

3.2通气流量测试

开阀压力测试方法，常温情况下按图示检测安全阀开阀时的通气流量；电池内部气压达到安全阀开启压力时，测试安全阀的通气量。通气量越大，证明泄压能力越强。1号阀的通气量情况见表3，2号阀的通气量情况见表4。

表3　1号阀的通气量

表4　2号阀的通气量

从表3和表4中的数据可以看出，开启压力越大其通气流量越小。而2号安全阀的通气量随压力的增大变化很小，在100kPa压力下通气量较小，而且通气量一致性较差，说明在正常情况下现有安全的排气能力较差。而1号安全阀排气能力强、一致性高。

4　结语

通过对比测试，具有微孔片和橡胶帽密封结构的安全阀性能更加可靠，其开闭压力控制精度高，通气量大；而传统的安全阀则存在开闭压控制精度较差、通气量小的弊端，易导致外部气体进入电池内部从而引起电池鼓掌，漏液等风险［4］。由此可见，具有微孔片和橡胶帽密封结构的安全阀是锂离子动力电池泄压阀的理想选择。

参考文献：

［1］冯祥明，郑金云，李荣富，等.锂离子电池过充短路添加剂研究［J］.电源技术，2008（9）：603-605.

［2］许宝忠，刘铁根，王萌，等.锂离子电池安全阀激光扫描焊接［J］.电源技术，2010，34（8）：812-814.

［3］陈益奎，张世杰，史鹏飞，等.聚合物锂离子蓄电池化成气体自动消失现象［J］.电源技术，2006，30（12）：964-967.

［4］黄丽，金明钢，蔡惠群，等.聚合物锂离子电池不同化成电压下产生气体的研究［J］.电化学，2003，9（4）：387-392.

中图分类号：TM912

文献标识码：A

文章编号：1003-5168（2016）01-0090-02

收稿日期：2015-12-18

作者简介：殷久山（1986-），男，本科，初级工程师，锂电池研发工程师，研究方向：锂电池研发。

The Design and Test of Decompression Valve of the Li-lion Power Battery

Yin JiushanLv YanZhang Yaojun
（Air Lithium(Luoyang)Co.Ltd.,Luoyang Henan 471000）

Abstract:With using Li-lion battery,the gas was inevitable,which leads the inner pressure of battery to magnify, and then the battery shell expansion,liquid leak even explode and so on.So the gas from the inner must be vent as soon as possible.In the manufacturing Li-lion battery,the decompression valve must be installed in order to release the inner excess pressure.A series of testing Valve of different structures was studied,the valve with the sealing struc⁃ture of micropore and rubber cap is more reliable.

Keywords:Li-lion power battery；safety；safety valve