新能源电池包技术 | 刀片电池为什么会鼓包？ Cell单体防爆阀如何设计

电芯的产气，一般需要从电化学和结构工程两个维度来构建解释框架。

首先考虑刀片电池鼓包的本质是内部产气导致壳体变形；

产气的具体机理，包括电解液分解、SEI膜变化、负极析锂等关键过程。

特别是磷酸铁锂材料在高温下的产气特性需要关注；

刀片电池特殊的结构设计对鼓包现象有重要影响。其超长扁平形状会导致中部应力集中，类似欧拉公式描述的杆件失稳现象。无模组设计使得壳体需要直接承受膨胀应力，这与传统电池的力学分布完全不同。

长电芯对装配精度的苛刻要求，以及密封失效等工艺缺陷的影响。同时要结合使用场景，说明过充、快充等滥用条件如何加剧鼓包风险。

电池鼓包，直观上看是电芯外壳发生膨胀变形，其根本原因在于电池内部在充放电过程中产生了气体，导致内压增大 。这些气体主要来源于以下几个电化学反应和过程：

• 电解液分解：当电池处于高温、过充等滥用条件下，或者内部存在微量水分、异物时，电解液会发生分解，产生一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO₂）和氢气（H₂）等气体 。特别是在高温（如超过60℃）环境下，电解液的分解速率会急剧上升 。

• SEI膜的分解与再生：电池首次充放电时，负极表面会形成一层至关重要的固态电解质界面膜（SEI膜）。但在电池滥用或长期循环老化后，SEI膜会分解并修复，这个过程不仅消耗活性锂，也会产生气体 。

• 负极析锂：在快充或低温充电时，锂离子可能来不及平稳地嵌入负极石墨层间，而是以金属锂的形式析出在负极表面，称为"析锂" 。析出的金属锂非常活泼，会与电解液发生剧烈反应，产生大量气体 ，这是产气的一个重要原因。

• 电极膨胀与外部拘束不足：电池在充放电时，电极的活性物质会发生反复的膨胀和收缩。如果电芯外部的机械拘束力不足，无法有效抑制这种形变，长期积累下来就会导致外壳鼓包 。

刀片电池采用的磷酸铁锂（LFP）材料本身热稳定性较好，其鼓包风险在一定程度上被其独特的超长扁平结构所放大 。

1. “杠杆效应”与中部应力集中

   刀片电池的长度动辄接近一米。在充放电时，电极材料的膨胀会使电芯外壳产生微小的形变。对于如此长的电芯，中部受到的机械应力最大，微小的形变会产生类似杠杆的放大效应，导致电芯中部容易拱起 。根据欧拉公式，细长杆件发生失稳的临界压力与其有效长度的平方成反比，这意味着刀片电池因其长度，抵抗形变的能力天生较弱 。

2. 无模组设计下的拘束力挑战

   刀片电池采用无模组（CTP）设计，提升了体积能量密度，但同时也取消了传统电池包中的模组框架结构。这使得电芯壳体需要直接承受更多的膨胀应力，而非由模组结构件分散 。如果电池包的整体结构设计对单个电芯的拘束力不足，鼓包风险便会增加 。

3. 热管理与气体分布的难题

   长条状结构使得电芯在长度方向上温差控制更具挑战性。温度不均会加剧局部副反应产气 。同时，产生的气体在超长电芯内部不易均匀分布或顺利导向泄压阀，容易在局部区域形成"气囊"，导致鼓包 。

除了结构性因素，以下方面也会显著影响鼓包的发生：

• 制造工艺精度：近一米长的电芯，对极片涂布的均匀性、封装质量、注液量精度等生产工艺要求极高 。任何微小的瑕疵都可能导致局部电流密度不均或密封不严，进而引发产气或外部水汽侵入（水汽与电解液反应可生成氢气） 。

• 使用条件与电池老化

• 过充：充电电压过高易导致电解液分解产气和锂枝晶生长 。

• 持续快充：大电流快充会加剧电池热负荷和析锂风险 。

• 电池老化：随着循环次数增加（如500次后），电极膨胀加剧，电解液也可能劣化产生酸性物质，加速腐蚀和产气 。

鼓包并不等同于立即发生热失控危险。比亚迪刀片电池采用的磷酸铁锂材料本身具有较高的热稳定性 ，并且电池包设计有泄压阀等安全措施 。比亚迪也通过严格的测试（如针刺、挤压、过充、炉温测试）来验证其安全性 。鼓包影响电池包的结构完整性、散热效率并潜在增加风险，因此需引起重视。

其次，需要应对热失控考虑单体电芯进行防爆阀设计；

方形电芯的防爆阀关系着单体电芯的核心安全；

当单体电芯热失控时，产生大量气体，如CO、气体导致压力骤升时，精确、可靠地开启，通过定向泄压防止电池发生爆炸 。

在电芯安全体系中，防爆阀是其核心部件；

电芯种类不一致，如磷酸铁锂（LFP）和三元锂（NCM）电池防爆阀的关键设计的参数差异和特点需求也有区别，重点是开阀压力、开阀面积、刻痕形状等；如下所示：

特性维度

磷酸铁锂 (LFP) 电池

三元锂 (NCM) 电池

典型开阀压力范围

约 0.4 - 0.8 MPa

通常相对较低，常见于 0.5 - 0.7 MPa 左右

设计策略倾向

相对较高的开阀压力，更耐受缓和的产气过程

相对较低且响应更迅速的开阀压力，对热失控反应更敏感

背后原因

热稳定性较好，热失控起始温度高（约700-800℃），产气过程相对平缓

热稳定性较差，热失控剧烈且迅速（起始温度约200-300℃），要求防爆阀快速响应

防爆阀设计考量

在保证安全的前提下，可适当提高开阀压力，避免因正常循环的轻微产气或环境温度变化导致误开启

优先确保在热失控早期迅速泄压，防止压力积聚引发爆炸

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