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三元動力鋰電池?zé)崾Э噩F(xiàn)象分析

時間:2022-12-29 15:19:34來源:鉅大LARGE

導(dǎo)語:?隨著電動汽車?yán)m(xù)航里程的不斷新增,能量密度更高的三元材料逐漸替代了穩(wěn)定性更好的磷酸鐵鋰材料。

  隨著電動汽車?yán)m(xù)航里程的不斷新增,能量密度更高的三元材料逐漸替代了穩(wěn)定性更好的磷酸鐵鋰材料。雖然三元材料為動力鋰電池帶來了更高的能量密度,但是其熱穩(wěn)定性較低,特別是高鎳材料在200℃度左右就開始發(fā)生分解,釋放O2,這也導(dǎo)致了三元材料鋰電池的安全性要低于磷酸鐵鋰材料電池,因此一旦發(fā)生電濫用、熱濫用和機(jī)械濫用等,就容易引起電池?zé)崾Э亍?/p>

  近日,應(yīng)急管理部天津消防研究所的羨學(xué)磊(第一作者)和董海斌(通訊作者)對三元軟包鋰電池在熱觸發(fā)和過充觸發(fā)熱失控兩種情況下的熱失控行為,研究表明熱觸發(fā)情況下重要是正極材料高溫分解出現(xiàn)O2和電解液氣化后出現(xiàn)的混合氣體噴出,因此電池直接噴射火焰,而又過充觸發(fā)的熱失控則重要來自于負(fù)極和電解液反應(yīng)出現(xiàn)的大量的烷烴類氣體,因此電池先發(fā)生噴射,然后被點燃。

  實驗中作者采用的軟包三元鋰電池的基本信息如下圖所示,電池的正極材料采用的為NCM811,負(fù)極為石墨,電池容量為107Ah。

  為了觀測上述的軟包鋰電池在熱失控過程中的行為,作者設(shè)計了下圖所示的觀測系統(tǒng),采用高速相機(jī)(4000幀/s)、熱成像相機(jī)和普通相機(jī)記錄了整個熱失控過程。實驗中作者采用了兩種方式觸發(fā)熱失控,第一種是加熱的方式,通過在電池下部新增一個熱板,對滿電態(tài)的電池進(jìn)行加熱,觸發(fā)熱失控。第二種方式是采用充放電設(shè)備對電池進(jìn)行持續(xù)充電,通過過充的方式觸發(fā)電池?zé)崾Э亍?/p>

  其中熱觸發(fā)重要包含以下步驟:

  充滿電

  加熱,直至熱失控

  停止加熱

  過充觸發(fā)則包含以下步驟:

  充滿電

  以50A電流持續(xù)對電池進(jìn)行充電,直至熱失控

  停止充電

  加熱觸發(fā)熱失控

  熱觸發(fā)過程總計可以分為五個步驟:1.加熱,電池鼓包;2.一端爆噴;3.另一段爆噴;4.安靜燃燒;5.結(jié)束。通過測試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),當(dāng)電池被加熱到215.7℃時,電池開始出現(xiàn)明顯的鼓脹和電解液爆噴現(xiàn)象,電池的一端出現(xiàn)噴火。大約7s后電池的另一端也開始出現(xiàn)噴火,同時電池四周也開始破裂,出現(xiàn)噴火,這一過程持續(xù)了19s,最高溫度為720.1℃。隨后電池進(jìn)入到安靜燃燒的過程,這一過程持續(xù)了28s。在整個加熱的過程中電池的電壓基本無變化,直到電池出現(xiàn)爆噴后,電池電壓突然下降為0V,這表明我們無法通過檢測電壓異常的方式預(yù)警電池?zé)崾Э亍?/p>

  為了驗證電池?zé)崾Э氐挠|發(fā)溫度,作者分別將電池加熱到100℃、150℃和200℃,測試結(jié)果表明電池在100和150℃下均不會發(fā)生熱失控,只有當(dāng)加熱溫度超過200℃才會觸發(fā)熱失控。

  下圖為作者采用高速相機(jī)記錄的電池?zé)崾Э厮查g的畫面,可以看到電池時從靠近極耳的位置發(fā)生破裂,同時電池爆噴的速度非???,在不到0.5s的時間里就有大量的火焰從鋁塑膜的破口出噴出。

  過充觸發(fā)熱失控

  過充觸發(fā)熱失控同樣可以分為5個階段:1.電池鼓脹;2.一端爆噴;3.另一端爆噴;4.安靜燃燒;5.結(jié)束。

  測試發(fā)現(xiàn)當(dāng)電池過充達(dá)到126%SoC時,電池表面最高溫度達(dá)到98.7℃,電池最大升溫速度為1.7℃/min,隨后電池的膨脹速度和升溫速度也開始快速新增,電池表面及極耳處的升溫速率不低于5℃/min,隨后電池的一端發(fā)生爆噴,在一端爆噴后的2s左右,另一端也發(fā)生了爆噴,同時電池的另外兩個長邊也出現(xiàn)撕裂的現(xiàn)象,電池開始朝著多個方向噴火,整個過程持續(xù)了大約5s。隨后電池開始安靜燃燒,這一過程持續(xù)了43s左右,在整個過程中電池的電壓一直持續(xù)升高,直到電池發(fā)生爆噴,電壓突然下降為0V。

  下圖為高速相機(jī)記錄的過充引起的電池爆噴現(xiàn)象,從圖中能偶看到首先電池一端的極耳開裂,噴出霧氣及高溫熔融狀態(tài)的固態(tài)顆粒,在爆噴的過程中,電池開口處出現(xiàn)了電火花,電解液被引燃,發(fā)生劇烈的爆炸式燃燒。

  在過充引發(fā)的電池爆噴中,電池噴出的電解液在初期并沒有發(fā)生燃燒,當(dāng)這些可燃的氣體和液體和空氣中的氧氣達(dá)到一定的濃度時,電池噴出車的熔融顆粒會突然將其引燃,引起爆炸式燃燒(如下圖所示)。

  羨學(xué)磊的研究表明,加熱觸發(fā)和過充觸發(fā)的熱失控在電池的行為上存在一定的差別,其中加熱觸發(fā)時電池外殼破裂時噴出的氣體中混有相當(dāng)數(shù)量的O2,因此電池直接噴射火焰,而在過充觸發(fā)熱失控時電池首先噴出的液體和氣體,以及熔融顆粒的混合物,在和空氣中的氧氣混合達(dá)到一定的濃度后才被引燃,隨即發(fā)生了爆炸式燃燒,其劇烈程度甚至要高于加熱觸發(fā)的熱失控。

  本文重要參考以下文獻(xiàn),文章僅用于對相關(guān)科學(xué)作品的介紹和評論,以及課堂教學(xué)和科學(xué)研究,不得作為商業(yè)用途。如有任何版權(quán)問題,請隨時和我們聯(lián)系。

  三元鋰離子動力鋰電池?zé)崾Э丶盎馂?zāi)特性研究,《儲能科學(xué)和技術(shù)》2020.19(01):239-249,羨學(xué)磊,董海斌,張少禹,李毅,劉連喜,于東興,盛彥鋒,伊程毅,韓光


標(biāo)簽: 鋰電池

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