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三元動力電池?zé)崾Э噩F(xiàn)象分析

時間:2020-04-10 21:36來源:新能源Leader 作者:綜合報道
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       隨著電動汽車?yán)m(xù)航里程的不斷增加，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)致了三元材料鋰離子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、熱濫用和機械濫用等，就容易引起電池?zé)崾Э亍?/div>
 
       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）對三元軟包鋰離子電池在熱觸發(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)情況下主要是正極材料高溫分解產(chǎn)生O2與電解液氣化后產(chǎn)生的混合氣體噴出，因此電池直接噴射火焰，而又過充觸發(fā)的熱失控則主要來自于負(fù)極與電解液反應(yīng)產(chǎn)生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離子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（4000幀/s）、熱成像相機和普通相機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，通過在電池下部增加一個熱板，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?/div>
 
       其中熱觸發(fā)主要包含以下步驟：
 
       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?/div>
 
       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常快，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增加，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與空氣中的氧氣達(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區(qū)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，在與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。
 
       本文主要參考以下文獻(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，請隨時與我們聯(lián)系。
 
       三元鋰離子動力電池?zé)崾Э丶盎馂?zāi)特性研究，《儲能科學(xué)與技術(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
 
(責(zé)任編輯：子蕊)
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