三星為了解決鋰離子電池安全問題上做了什么

對(duì)于每一個(gè)鋰離子電池開發(fā)者而言，安全永遠(yuǎn)是鋰離子電池設(shè)計(jì)的第一準(zhǔn)則，然而沒有任何事物是絕對(duì)安全的，我們只能做到盡可能的減少鋰離子電池發(fā)生安全事故的風(fēng)險(xiǎn)。內(nèi)短路對(duì)于鋰離子電池而言是非常危險(xiǎn)的，在極端的情況下短時(shí)間內(nèi)大量的電流通過短路點(diǎn)，引起局部溫度快速升高，進(jìn)而引起連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致鋰離子電池發(fā)生熱失控。引起鋰離子電池內(nèi)短路的因素很多，例如生產(chǎn)過程中的金屬雜質(zhì)，鋰離子電池循環(huán)過程中負(fù)極產(chǎn)生的Li枝晶等都可能會(huì)刺穿正負(fù)極的隔膜引起短路。

三星公司在Note 7手機(jī)的電池起火事件中損失慘重，因此對(duì)于鋰離子電池的安全性研究尤為關(guān)注。近日，三星在印度的實(shí)驗(yàn)室開發(fā)一種能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)手機(jī)鋰離子電池在線監(jiān)測的方法，該方法借助目前的鋰離子電池管理系統(tǒng)，通過特定的算法判斷鋰離子電池是否發(fā)生軟短路，而不需要借助任何新的硬件。

鋰離子電池軟短路對(duì)于電池充放電電流和電壓的影響相對(duì)較小，因此傳統(tǒng)的檢測手段很難發(fā)現(xiàn)鋰離子電池的軟短路，因此作者在這里采用了根據(jù)鋰離子電池的充放電特性與其之前的充放電數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比的方法，判斷鋰離子電池是否發(fā)生軟短路，不同于傳統(tǒng)的機(jī)械學(xué)習(xí)方法需要大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，三星的印度工程師將每次充放電之前的五次充放電數(shù)據(jù)作為依據(jù)，對(duì)鋰離子電池是否發(fā)生內(nèi)短路進(jìn)行判斷，如果有超過50%的特征都表明鋰離子電池發(fā)生軟短路，則判斷該電池發(fā)生內(nèi)短路，如果判斷電池沒有發(fā)生內(nèi)短路，則對(duì)模型中的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行更新。

在鋰離子電池放電過程中的SoC變化可以用下式進(jìn)行表述，其中h表示電池為健康狀態(tài)，f為鋰離子電池發(fā)生內(nèi)短路的狀態(tài)。鋰離子電池一旦發(fā)生軟短路，則會(huì)導(dǎo)致鋰離子電池內(nèi)部發(fā)生漏電流，進(jìn)而對(duì)鋰離子電池的一些特性產(chǎn)生影響。

恒流-恒壓充電是鋰離子電池常見的充電策略，首先通過恒流充電使得鋰離子電池的電壓達(dá)到截止電壓，然后控制鋰離子電池的電壓不變緩慢降低鋰離子電池的充電電流，直到充電電流達(dá)到最低的截止條件。而如果鋰離子電池發(fā)生了內(nèi)短路，則意味著鋰離子電池在充電的過程還存在著漏電流，因此存在內(nèi)短路電池恒壓充電的時(shí)間會(huì)比正常的電池更長。

由于鋰離子電池存在極化現(xiàn)象，因此通常鋰離子電池的充電能量要大于放電能量，但是對(duì)于存在內(nèi)短路的電池而言，由于存在漏電流，因此相比于正常的電池，其充電能量與放電能量之間的差會(huì)更大。

鋰離子電池在放電的末期，電池的電壓變化比較大，因此很小的SoC波動(dòng)就會(huì)對(duì)鋰離子電池的電壓曲線斜率產(chǎn)生比較大的影響，作者計(jì)算了放電最后5min的電壓曲線斜率，對(duì)于存在內(nèi)短路的電池而言，由于漏電流的存在，因此電壓曲線的斜率會(huì)更大一些。

在正常的使用中，我們往往不會(huì)將電池放電至空電，因此無法得到放電末期電壓曲線斜率，但是我們可以通過放電過程的整體電壓曲線斜率進(jìn)行判斷，如果存在內(nèi)短路，由于漏電流的存在會(huì)導(dǎo)致電壓曲線的斜率增加。電池的內(nèi)阻可以用下式進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于存在內(nèi)短路的電池，由于漏電流的存在，因此鋰離子電池的外電壓要低于正常的電池，但是電池外電路的電流也會(huì)相應(yīng)降低，因此內(nèi)短路的電池的內(nèi)阻會(huì)相對(duì)正常的電池發(fā)生變化。

上述的分析方法被應(yīng)用在了兩種不同的電池上，其中電池1為3.5Ah，電池2為3.0Ah。為了模擬鋰離子電池短路的情形，作者在電池外部并聯(lián)了一個(gè)大電阻，對(duì)于電池1作者采用了1000-150Ω的外電阻模擬內(nèi)短路，對(duì)于電池2則采用了400、300和200Ω的電阻。

三星的印度工程師開發(fā)的這種用于檢測鋰離子電池是否發(fā)生內(nèi)短路（軟短路）的方法不需要使用特殊的硬件設(shè)施，僅僅需要采集電池管理系統(tǒng)（BMS）中的充放電數(shù)據(jù)，通過與數(shù)據(jù)庫中的充放電數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比就能夠及時(shí)的發(fā)現(xiàn)鋰離子電池內(nèi)短路，從而避免產(chǎn)生更為嚴(yán)重的后果。