摘要
超声波熔接在锂离子电池组生产中运用广泛，一般用于塑胶壳体的密封焊接。为了不让超声波的振动造成电芯内部损伤，目前针对导熔线设计、熔接参数设置等方面的研究和报道很多，但如果辅助工艺的细节考虑不全，会导致超声波振动传到电芯本体上最薄弱的泄压阀处，并造成破裂，导致电芯漏液、鼓胀，形成锂离子电池使用安全的重大隐患。
下面针对文献中给出的实例调查，分析锂离子电池鼓胀的原因，并给出解决方案。
1 事故现象及实物分析
在一款移动手持式销售终端 (POS) 机用 3 只电芯并联 (1S3P) 锂离子电池组量产试生产中，在时隔大约 1 个月后，偶然发现数个电池组在未使用的常温放置状态下，有局部鼓胀的现象，而之前已经实施的各项测试中，并未发现此问题。
1.1 电池组工艺流程
电池组生产工艺流程为：电芯盖板上焊保护回路→电芯表面贴双面胶→电芯放入塑胶下壳→塑胶上壳内四角点胶→盖上塑胶上盖→上下盖嵌合→超声波熔接→外观、厚度、漏液检查→电气特性测试→贴标→外观检查
1 .2 电池组构造
图 1
从图 1 可知：
1 上方两只电芯（1 号、2 号）、下方 1 只电芯（3 号）都放入塑胶下壳中，单只电芯尺寸为 61 mm 长、42 mm 宽、5 mm 厚；
2 塑胶上壳内表面 4 个角点好热熔胶，再盖在上面两只电芯上（将电芯固定在上壳中）；
3 上下壳嵌合后，进行超声波熔接。
电芯泄压阀一般有两种：盖板冲压式和罐表面刻印式。实验研究的电芯使用盖板冲压式泄压阀。
1 .3 量产试生产时发现的问题
试生产时，超声波熔接后，按正常流程进行了外观、厚度、漏液检查及电气特性测试，当时并未发现任何问题。之后，由于其他项目需要，在静置 1 个月后再次测试时，观察到数个电池组贴商标面的相同部位发生鼓胀 ( 见图 2) 。
图 2
1 .4 实物非破坏性分析
用 VＲ-3000 3D 轮廓测量仪 ( 日本产) 进行表面形状分析，确定鼓胀的发生位置和最厚处都处于靠近 2 号电芯泄压阀一侧区域 ( 图 3) ，再用 SMX-1000 X 射线检查机 ( 日本产) 进行确认，发现鼓胀电池组 2 号电芯的泄压阀都已破裂，且破裂方向是从外向内，说明不是电芯质量问题导致的气压升高、冲破泄压阀，而是受到外力导致泄压阀的破裂 ( 图 4) 。
图 3
图 4
1 .5 实物拆解分析
图 5
鼓胀是由于空气中的水分进入电芯内部，导致电解液分解，产生以 HF、CO 2 为主的气体，反应式见式 ( 1) －( 4) 。
LiPF 6→ LiF + PF 5 ( 1)
PF 5+ H 2 O → POF 3+ 2 HF↑ ( 2)
Li 2 CO 3+ 2 HF → 2 LiF + H 2 CO 3 ( 3)
H 2 CO 3→ H 2 O + CO 2↑ ( 4)
气体产生在卷绕体内部的正负电极之间，不容易逃逸，从 X 射线电子计算机断层扫描 ( CT) 图 ( 图 6) 中可看见，电极发生了扭曲、膨胀，最终导致电芯鼓胀。
图 6
2 深入调查及结果
电芯的泄压阀破裂为从外向内，是受到外力导致，因此，针对外力的来源、泄压阀破裂的极限压力进行分析。
2 .1 电芯泄压阀本身的耐压性调查
泄压阀是电芯最薄弱的部位。一旦电芯内部急剧产生大量气体，该处首先被冲破，使电池内部的气体泄出，以防止电芯发生爆炸等安全事故。
该批次电芯的泄压阀耐压性调查结果如下:
1泄压阀薄壁处的厚度满足制造规格 (＞0. 034 mm) ，数值稳定、与其他批次没有差异;
2泄压阀开启压 ( 作动压) 满足制造规格 (4. 4～5. 2 MPa) ，数值稳定、与其他批次没有差异 ( 图 7) ;
3实际外力抗压没有制造规格要求，但测试发现，与其他批次没有差异。用Φ= 1. 0 mm 的顶针下压时，很小 ( 6. 5～ 7. 5 N) 的压力就能导致破裂。
最终结论: 该批次电芯的泄压阀耐压性整体没有问题。
图 7
2 .2 电芯泄压阀受力隐患的排查
逐一排查了夹具、设备和作业方法等，并未发现明显的问题点，即使有人为触碰等外力，也不会每次都恰好碰到 2 号电芯的泄压阀导致破裂，判断应该还存在与电芯位置有关的其他外力。为此，每道工序都特意增加了针对 2 号电芯泄压阀的全数外观检查，再进行试生产，发现直到超声波熔接前的上下壳嵌合工序都没有发生问题。按正常的工艺流程，超声波熔接后就不会打开壳体，但此次特意在超声波熔接后，剥开壳体对 2 号电芯的泄压阀进行检查，发现超声波熔接导致部分 2 号电芯泄压阀的破裂，发生率小于 1%。
2 .3 电芯泄压阀破裂的原理分析
超声波熔接的原理，是通过上模将超声波能量传送到零件焊区，产生每秒数万次的高频振动，利用两个焊接的交界面 ( 上下壳体接缝) 处声阻大的特点，产生局部高温，使两个焊件的接触面迅速熔化，辅以一定压力，就熔合成一体。超声波停止后，让压力持续数秒以凝固成型，上下壳就能紧密结合在一起，结合处的强度与壳体材料接近。
该手持 POS 机采用的壳体材质为聚碳酸酯 ( PC) ，超声波熔接参数 ( 振幅、压力、下压速度、焊接时间、保压时间和延迟时间等) 均针对该材质进行设定，没有发现问题，同时，导熔线设计也没有问题。综合分析后，发现是 2 号电芯的泄压阀侧面和上壳之间，由于热熔胶偏位导致缝隙消失、超声波传导到泄压阀处所致。故障模型见图 8。
图 8
该机种在构造设计时，将电芯在超声波熔接模具中横向放置，以避免超声波上模发振时自上而下的纵向振动对泄压阀可能的冲击。实际量产试生产时，除了在上壳的四角内表面有热熔胶的位置外，电芯与上壳之间也有缝隙。热熔胶 ( 聚酰胺) 点胶的目的是将电芯固定在上壳中、不晃动，如无特别要求，采用半自动、甚至手工点胶，很难做到胶量、厚度和位置非常精准。仔细观察泄压阀破裂的电芯，发现一个共同点，即有一处热熔胶的位置很接近 2 号电芯泄压阀的侧面［图 1 ( b) ］，有的甚至覆盖到泄压阀边缘处。热熔胶在点胶后短时间内较柔软，将上壳盖在电芯表面、放入超声波模具中加压时，热熔胶将顺势延展、接触到 2 号电芯泄压阀的边缘，填补电芯泄压阀部位与上壳 ( 被焊接件) 之间的缝隙。由此推测: 超声波振动以热熔胶为媒质传导到电芯的泄压阀处 ( 电芯中最脆弱的一个部位，仅 0. 03 mm 厚) ，造成破裂。
2 .4 电芯泄压阀破裂后能否检出的验证
图 9
为验证能否在后道工序内，通过电压、内阻、厚度和外观的变化检测出异常的情况，将电芯的泄压阀人为戳破，再在 23 ℃、ＲH= 50%的环境下放置并观察电芯，结果见图 9。
从图 9 可知，在开始的 3 d 内，电压、内阻和厚度基本上没有变化，之后异常逐渐显现，且越来越明显。与此同时，电芯的外观观察表明，在起初的两天内没有明显的电解液漏出，之后电解液逐渐漏出，且呈现白色的结晶状态。这说明，一旦电芯泄压阀破裂，按照正常的工艺流程，在 1 ～ 2 d 内成为成品，在此期间，工序内部无法通过电压、内阻、厚度和外观等异常发现问题。这是由于电芯盖板 ( 靠近泄压阀一侧) 上面还贴着一层外部绝缘板，在泄压阀破裂的情况下起到一定的密封作用，短时间内能阻挡空气中的水分进入电芯内部，延缓上述性能指标异常化。另外，由于电池组是上下壳密封结构，即使里面的电芯漏液，电池组的表面也难看出。
2 .5 电芯泄压阀破裂后电池组安全性问题的验证
由于水分进入，导致电芯卷绕体的电极变质、膨胀、分解，但未发现电芯内部的短路问题。用 TOSCAT-3600 充放电设备 ( 日本产) 对该电池组 ( 包括泄压阀破裂、膨胀的 2 号电芯) 进行充放电 ( 以 2 250 mA 恒流充电至 4. 2 V，转恒压充电至 60 mA; 以 900 mA 恒流放电至 3. 0 V) 。在 45 ℃高温下循环 5 次，之后在室温下循环，发现可正常充放电 100 次以上，且电池组容量衰减不明显，表面温度正常 ( 图 10) 。循环试验结束后，剖解 2 号电芯，没有发现内部短路问题。
图 10
解剖数个电池组后发现，部分电池组的保护回路表面因电解液泄漏产生了电化学迁移现象 ( 图 11) ，可能会影响电池组的过充、过放等保护功能，导致使用时存在安全隐患。
图 11
3 改善方案及效果
经上述分析，制定 3 个改善方案，并逐一进行验证。
方案一: 调整点胶位置，稍微离开 2 号电芯的泄压阀部位。该方案可行，需调整点胶设备行程等，但每次点胶位置、胶量难免有些偏差，难以 100%防止点胶时的位置偏移。
方案二: 微调超声波熔接机参数，如适当减少压力、提前发振时间、缩短熔接时间等。这样也有效果，但会影响上下壳熔接强度，还存在点胶位置和胶量偏差导致的隐患。
方案三: 调整 2 号电芯泄压阀位置，翻面使之处于电池组的中央，使点胶位置完全避开泄压阀位置，防止超声波可能带来的损害 ( 图 12) 。由于 2 号电芯放入位置的调整，相应地，上下壳体局部布局也需微调，即使点胶位置、胶量稍有偏差都没问题，超声波焊接参数也无需调整，2 号电芯的泄压阀和上壳之间有足够的缝隙，能彻底解决存在的问题。
图 12
最终采用方案三后，批量试生产了 1 万只左右，未发现 2 号电芯泄压阀破裂，之后进入正产量产至今已有一年，都没有发生同样的问题。这表明，该问题得到了彻底解决。
4 结论与探讨
电池组量产试生产前进行过超声熔接的失效模式分析，但重点只考虑熔接强度、熔接效果等，较少考虑到电芯因素，对超声波熔接导致电芯损伤的隐患讨论不足。通常认为，只要导熔线设计、熔接参数设置没有问题，超声波上模不直接、正面接触到电芯的泄压阀 ( 即留有空隙) ，超声波就不会造成电芯损伤。对点胶这样辅助工艺的细节考虑不周，超声波的振动通过热熔胶传导到泄压阀侧面时，也可能造成破裂。
超声波熔接导致电芯泄压阀破裂的实例，对有关生产厂家，尤其是购买电芯直接加工电池组、对电芯的泄压阀构造了解不够深入的厂家，有一定的参考价值和实用意义。
泄压阀是电芯中最脆弱的部分，电池组加工过程中一定避免各种外力、振动、冲击等直接或间接碰到泄压阀及周边区域。本案例中，超声波熔接造成电芯泄压阀破裂的详细机理有待进一步讨论和研究，但对此隐患的认识，可为今后产品的工艺细化、验证方案等的改进提供借鉴思路。