储能模组失效分析及结构优化研究_马丽娅.pdf

第 12 卷 第 7 期2023 年 7 月Vol.12 No.7Jul.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology储能模组失效分析及结构优化研究马丽娅，郭宝辉（天津中电新能源研究院有限公司，天津 300000）摘要：目前行业内通过对锂电池模组循环特性的研究，确定影响模组循环性能的主要因素是模组膨胀力。经研究，发现了储能模组循环衰减特性的失效机理，并且通过改善储能模组结构能够大幅度减小模组膨胀力的增大和延长模组的循环寿命。首先，从失效机理上准确识别因果关系和相关关系；其次，提供一种电芯间泡棉尺寸及粘接位置的确定方法，从而优化储能模组结构设计。最后，以磷酸铁锂280 Ah电芯1并8串(1P8S)储能模组为研究对象，堆叠1并8串(1P8S)常规储能模组1-1、1并8串(1P8S)优化储能模组2-1进行对比实验。通过在环境温度25，循环制式为阶梯充电/0.5 C(140 A)放电的条件下进行模组循环测试。结果表明，优化储能模组2-1在充电末端的平均压差降低了24%，在放电末端的平均压差降低了37.7%；优化储能模组2-1在充电末端的平均温差降低了约5，在放电末端的平均温差降低了约6。且优化储能模组2-1的容量保持率曲线亦优于常规储能模组1-1。关键词：膨胀力；泡棉；储能模组；循环性能doi：10.19799/ki.2095-4239.2023.0326 中图分类号：TM 911 文献标志码：A 文章编号：2095-4239（2023）07-2194-08Failure analysis and structure optimization of energy storage moduleMA Liya,GUO Baohui(Tianjin CETC New Energy Research Institute Co.Ltd.,Tianjin 300000,China)Abstract:According to the current industry research on the cycle characteristics of lithium battery modules,it has been determined that the main factor affecting the cycle performance of energy storage modules is the module expansion force.Through this study,the failure mechanism of the cycle attenuation characteristic of the energy storage module is identified.By improving the optimal design of the module structure,the increase in module expansion force can be greatly reduced,and the cycle life of the modules can be extended.Firstly,the causal and correlational relationships are accurately identified from the failure mechanism.Subsequently,a method is proposed to determine the foam size and bonding position between cells,enabling the optimization of the structural design of energy storage modules.Finally,a 1P8S energy storage module that uses a lithium iron phosphate 280 Ah cell was selected as the research object.A conventional energy storage module 1-1 was compared with an optimized energy storage module 2-1,both using the same 1P8S stack.The module cycle test was 储能锂离子电池系统关键技术专刊收稿日期：2023-05-09；修改稿日期：2023-06-16。基金项目：天津中电新能源研究院有限公司储能模组循环性能改善项目（22.ZD0028M）。第一作者及通讯联系人：马丽娅（1985），女，硕士，工程师，研究方向为方壳电芯储能技术，E-mail：。引用本文：马丽娅,郭宝辉.储能模组失效分析及结构优化研究J.储能科学与技术,2023,12(7):2194-2201.Citation：MA Liya,GUO Baohui.Failure analysis and structure optimization of energy storage moduleJ.Energy Storage Science and Technology,2023,12(7):2194-2201.第 7 期马丽娅等：储能模组失效分析及结构优化研究conducted under ambient temperature conditions of 25,employing a step charge of 0.5 C(140 A)discharge.The results show that the optimized energy storage module 2-1 exhibits improved performance in pressure and temperature differences at the end of charge and discharge compared to the conventional energy storage module 1-1.Specifically,the average pressure difference at the charging and discharging ends of the optimized energy storage module 2-1 is reduced by 24%and 37.7%,respectively.The average temperature difference of the optimized energy storage module 2-1 is reduced by about 5 and 6 at the charging and discharging ends,respectively.The capacity retention curve of the optimized energy storage module 2-1 is better than that of the conventional energy storage module 1-1.Keywords:expansion force;foam;energy storage module;cyclic performance电芯是储能系统的最小电能存储单元，当多只电芯按照串联、并联或串并混联方式被同一个外壳框架捆扎在一起时，就组成了一个储能模组，当数个储能模组被BMS和热管理系统共同控制或管理后，就组成了储能系统。目前在储能领域，主流选用铝壳锂离子电芯。因锂离子电芯是一个电-热-力耦合系统，在使用过程中存在膨胀问题进而造成模组的膨胀力增大，一方面电芯在充放电时，锂离子在正负极材料间的嵌入与脱出会引起电极结构上的相变，从而导致膨胀现象的产生，主要体现在负极极片厚度方向上的增大，正极极片的晶格常数引起的变化较小，对电芯厚度的变化影响不大，因此负极极片的厚度增大是导致电芯厚度增加的主要因素；另一方面，随着电芯的循环过程，隔膜收缩和负极片膨胀造成电芯内部应力持续上升，最终表现为“S”型变形，由此也将导致电芯厚度进一步增加。电芯厚度的增加造成模组膨胀力持续增大。电芯厚度增大不是短时间凸显的，而是随着充放电次数的增加逐渐显现1-9。随着电芯充放电循环次数的增加，模组的膨胀力也不断增加。不断增长的膨胀力与储能模组容量的快速衰减呈现强烈的相关关系图1(a)，模组膨胀力达到一定程度时也将造成模组框架结构失效等问题10-11图1(b)。为了解决模组膨胀力的问题，当前主流设计是在模组中相邻电芯间预留间隙，选择13 mm厚的窄条状背胶泡棉将多个电芯堆叠成模组(图2)。背胶泡棉的形状多为窄条形，或在电芯黏接面上沿电芯四边的位置进行回字形粘接，或在电芯黏接面上的左右两边位置粘接，或在电芯黏接面上的上下两边位置粘接。此种设计可使得电芯间留有能够吸收电芯膨胀的间隙，由此可大幅度降低由于电芯膨胀导致的模组膨胀力过大的问题。由于增加了电芯间间隙，模组框架结构失效问题得以解决，但容量快速衰减问题仍未解决。因铝壳电芯主要由电芯外壳、极组组成图3(a)。电芯内图1模组膨胀力的影响(a)模组膨胀力与模组容量衰减曲线；(b)模组框架失效示意图Fig.1Effect of module expansion force(a)Module expansion force and module capacity attenuation curve;(b)Module framework failure diagram图2电芯与泡棉成组示意图Fig.2Group diagram of cell and foam21952023 年第 12 卷储能科学与技术极组形式一般为卷绕式和叠片式两种，电芯的正极片、隔膜和负极片近乎平行紧密层叠在一起图3(b)。结合铝壳电芯的结构形式，当前主流设计方案中电芯间留有13 mm的间隙，模组进行充放电循环时，为电芯的鼓胀预留了鼓胀空间，导致极组易发生“S”型形变图3(c)，极片与隔膜之间出现间隙，造成活性锂离子的损失和模组容量的快速衰减。1 机理分析12-13结合铝壳电芯结构形式及模组主流设计方案，模组失效机理分析如下图4(a)：（1）模组膨胀力是由电芯膨胀产生的，而电芯膨胀力的产生，主要是由负极片膨胀引起的极组膨胀变形，随着电芯的变形加剧，模组的膨胀力也会不断增大，将会造成模组尺寸变化，甚至破坏模组的结构框架；（2）极组变形会导致极组内部的正极片、隔膜和负极片的接触界面出现间隙，进而造成锂损失，因此出现电芯和储能模组容量快速衰减的现象；（3）传统认知将模组膨胀力和容量衰减的相关关系误认为是因果关系，因此希望通过抑制模组膨胀力进而解决容量快速衰减的问题，由失效机理得知，不能通过这一方向解决容量快速衰减的问题，只有改善二者的共同因子才能解决这两个问题。而导致模组结构框架破坏和容量快速衰减的共同原因是电芯极组膨胀变形、充放电过程中负极片图3铝壳电芯(a)电芯组成；(b)极组形式；(c)电芯“S”型变形Fig.3Aluminum cell(a)cell composition;(b)Internal pole group form of the cell;(c)Cell“S”deformation图4机理分析(a)失效机理分析；(b)(e)泡棉粘接位置示意图Fig.4Mechanism analysis(a)Failure mechanism analysis;(b)(e)Foam bonding position diagram2196第 7 期马丽娅等：储能模组失效分析及结构优化研究膨胀和负极片碾压密度大，而在模组结构设计中更容易实现对电芯极组变形因子的管控，根据失效机理分析能够抑制极组变形即可