不同溫度下錳酸鋰動(dòng)力電池的撞擊實(shí)驗(yàn)

王宏偉,劉 軍,鄧 爽,肖海清

我國(guó)有關(guān)電動(dòng)汽車(chē)(EV)用鋰離子動(dòng)力電池的研究取得了一定的進(jìn)展[1-2]。針對(duì)鋰離子動(dòng)力電池,先后出臺(tái)了GB/Z 18333.1-2001《電動(dòng)道路車(chē)輛用鋰離子蓄電池》[3]和QC/T 743-2006《電動(dòng)汽車(chē)用鋰離子蓄電池》等標(biāo)準(zhǔn)[4]。這些標(biāo)準(zhǔn)中,針對(duì)模擬車(chē)輛碰撞事故的電池重物撞擊實(shí)驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行,而在實(shí)際工況下,電池可能在各種溫度下工作。

本文作者針對(duì)錳酸鋰動(dòng)力電池,在不同的溫度環(huán)境下擱置后,快速進(jìn)行重物撞擊實(shí)驗(yàn),研究了環(huán)境溫度對(duì)電池安全性的影響,以及電池在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的溫度變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

本文采用的實(shí)驗(yàn)樣品型號(hào)和參數(shù)如下:

功率型單體電池IMP18/66/133-11HA(蘇州產(chǎn)),額定電壓3.7 V,額定容量11 Ah,內(nèi)阻≤6 mΩ。為了得到相對(duì)準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,減小其他因素的影響,所選20只電池樣品均取自同一批次,并在實(shí)驗(yàn)前,充放電預(yù)循環(huán)10次。充放電條件為:在20±2℃下,以3 500 mA恒流放電至電壓為2.7 V,靜置1 h,然后以3 500 mA恒流充電至電壓為4.2 V,轉(zhuǎn)恒壓充電至電流降至350 mA,靜置1 h。

電池的長(zhǎng)、寬和高分別為 133 mm、66 mm 和18 mm;采用疊片式,包裝為方形金屬鋁殼;正、負(fù)極活性材料分別為L(zhǎng)iMn2O4和石墨,電解液的主要成分為L(zhǎng)iPF6、碳酸乙烯酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC),隔膜為Celgard 2325膜。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將100%SOC(荷電狀態(tài))的電池放置在SPHH-101型調(diào)溫調(diào)濕箱(廣州產(chǎn))中,并設(shè)置不同的溫度(-30℃、40℃和65 ℃),保溫180 min;

將待測(cè)電池從調(diào)溫調(diào)濕箱中取出,迅速放在防爆撞擊箱的平面上,將直徑為15.8 mm的鋼棒放在樣品中心,讓質(zhì)量為9.1 kg的重錘從1 000±15 mm的高度落在此鋼棒上,繼續(xù)觀察樣品6 h[5-7]。

分別使電池的寬面和窄面承受重物撞擊,如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)中電池與鐵棒的放置位置Fig.1 The location of battery and bar during the test

通過(guò)粘附于電池表面的熱電偶監(jiān)測(cè)電池表面的溫度,熱電偶的分布見(jiàn)圖2。

圖2 熱電偶的分布Fig.2 Schematic diagram of thermocouple distribution

1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

將在室溫(20℃)下擱置后的電池 IT201、IT202和 IT204按圖1b所示,電池 IT203、IT205按圖1a所示進(jìn)行撞擊實(shí)驗(yàn);將在-30℃下擱置后的電池IT-301、IT-303和IT-305按圖1b所示,電池 IT-302、IT-304按圖1a所示進(jìn)行撞擊實(shí)驗(yàn);將在40℃下擱置后的電池IT403、IT404和IT405按圖1b所示,電池IT401、IT402按圖1a所示進(jìn)行撞擊實(shí)驗(yàn);將在65℃下擱置后的電池 IT651、IT654按圖 1b所示,電池 IT652、IT655和IT653按圖1a所示進(jìn)行撞擊實(shí)驗(yàn)。

用TC53高精度電池性能測(cè)試系統(tǒng)(廣州產(chǎn))測(cè)試電池的性能;用FLUKE 2620數(shù)據(jù)采集器(廣州產(chǎn))采集各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

2 結(jié)果與討論

在不同溫度環(huán)境下(-30℃、20℃、40℃和65℃)擱置后,快速進(jìn)行的重物撞擊實(shí)驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 重物撞擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 The results of impact tests

觀察電池可見(jiàn),由于鐵棒擠壓出現(xiàn)了凹痕,電池中間相對(duì)變薄,且內(nèi)部也受到了擠壓,即電極和隔膜也受到了擠壓,隔膜沒(méi)能有效地隔離正、負(fù)極,造成電池正、負(fù)極短路,引起內(nèi)部的放熱反應(yīng),產(chǎn)生了大量的熱,熱量到達(dá)一定值后,引起了著火、爆炸等現(xiàn)象。

電池IT203和IT652在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中各布點(diǎn)溫度的變化如圖 3所示。

圖3 電池IT203和IT652各布點(diǎn)溫度的變化Fig.3 Changes of temperature based on the thermocouple distribution data of battery IT203 and IT652

撞擊實(shí)驗(yàn)時(shí)所有試樣的最高溫度和溫升速率見(jiàn)表2。

從表2可知,排除電池撞擊實(shí)驗(yàn)后,電池相當(dāng)于從-30℃、40℃或65℃的調(diào)溫調(diào)濕箱中取出,在室溫條件下擱置至常溫的溫度變化的數(shù)據(jù)(與樣品直接從-30℃、40℃或65℃的調(diào)溫調(diào)濕箱中取出,在室溫條件下擱置至常溫,不經(jīng)過(guò)撞擊試驗(yàn)的溫度變化類似)。撞擊實(shí)驗(yàn)中,電池最高溫度與溫升速率的關(guān)系見(jiàn)圖4。

表2 撞擊實(shí)驗(yàn)中各試樣的溫度數(shù)據(jù)Table 2 The temperature data of each sample in impact test

圖4 電池最高溫度與溫升速率的關(guān)系Fig.4 Relation between temperature rise rate and maximum temperature

根據(jù)圖4的數(shù)據(jù),由最小二乘法的線性擬合,未著火試樣溫升速率與最高溫度存在式(1)所示的關(guān)系:

式(1)中,y為最高溫度(℃);x為溫升速率(℃/s)。式(1)對(duì)應(yīng)的 R2(R為相關(guān)系數(shù))為 0.98。該值越接近1,說(shuō)明線性擬合程度越好。

著火試樣溫升速率與最高溫度存在式(2)所示的關(guān)系:

式(2)對(duì)應(yīng)的 R2為0.94。

從式(1)、式(2)可知,未著火試樣的溫升速率與最高溫度呈線性關(guān)系,著火試樣的溫升速率與最高溫度呈3次多項(xiàng)式的關(guān)系,說(shuō)明錳酸鋰動(dòng)力電池在撞擊過(guò)程中,溫升速率越快,越容易發(fā)生著火的熱失控現(xiàn)象。

3 結(jié)論

在不同溫度環(huán)境下(接近實(shí)驗(yàn)前的擱置溫度:-30℃、20℃、40℃和65℃)錳酸鋰動(dòng)力電池的重物撞擊實(shí)驗(yàn)可以看出,電池受到撞擊后,殼體發(fā)生變形,電極和隔膜受到擠壓,電極材料可能會(huì)出現(xiàn)脫落現(xiàn)象,隔膜會(huì)出現(xiàn)破裂,如果隔膜不能有效地隔離正、負(fù)極,會(huì)造成正、負(fù)極短路,引起電池內(nèi)部的放熱反應(yīng),產(chǎn)生的熱量又會(huì)引起其他副反應(yīng)的發(fā)生,如電極的分解、電解質(zhì)的分解等,并產(chǎn)生較多的氣體,使內(nèi)部壓力增加,壓力到達(dá)一定的值后,會(huì)使電池發(fā)生著火、爆炸等現(xiàn)象。

研究表明:本文實(shí)驗(yàn)中所用錳酸鋰動(dòng)力電池產(chǎn)品在撞擊實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,總體安全性能不好;即使在低溫下擱置后的電池在進(jìn)行重物撞擊實(shí)驗(yàn)時(shí),也會(huì)發(fā)生由電池內(nèi)短路引發(fā)的高溫燃燒(爆炸)。這可能是由于電池制作的一致性或電池的工藝設(shè)計(jì)整體安全可靠性相對(duì)較低造成的。環(huán)境溫度(本文中,接近實(shí)驗(yàn)前擱置溫度)越高,電池的安全性越差:撞擊實(shí)驗(yàn)時(shí),未著火試樣的溫升速率與最高溫度呈線性關(guān)系,著火試樣的溫升速率與最高溫度呈3次多項(xiàng)式的關(guān)系,且著火試樣的溫升速率＞3℃/s,未著火試樣的溫升速率＜1℃/s,即電池在撞擊過(guò)程中,溫升速率越快,越容易發(fā)生著火等熱失控現(xiàn)象。

[1]LIN Cheng-tao(林成濤),LI Teng(李騰),TIAN Guang-yu(田光宇),et al.電動(dòng)汽車(chē)用鋰離子動(dòng)力電池的壽命試驗(yàn)[J].Battery Bimonthly(電池),2010,40(1):23-26.

[2]HU Xin-guo(胡信國(guó)).動(dòng)力電池技術(shù)與應(yīng)用[M].Beijing(北京):Chemical Industry Press(化學(xué)工業(yè)出版社),2009.

[3]GB/Z18333.1-2001,電動(dòng)道路車(chē)輛用鋰離子蓄電池[S].

[4]QC/T 743-2006,電動(dòng)汽車(chē)用鋰離子蓄電池[S].

[5]WEI Hong-bing(魏洪兵),WANG Cai-juan(王彩娟),ZHAO Yong(趙永),et al.鋰離子電池重物撞擊試驗(yàn)研究[J].Dianchi Gongye(電池工業(yè)),2011,16(4):209-211.

[6]SONG Yang(宋楊),WANG Cai-juan(王彩娟),WEI Hong-bing(魏洪兵),et al.鋰原電池重物撞擊試驗(yàn)分析[J].Dianchi Gongye(電池工業(yè)),2009,14(4):244-246.

[7]WANG Hong-wei(王宏偉),LIU Jun(劉軍),DENG Shuang(鄧爽),et al.動(dòng)力鋰離子電池撞擊過(guò)程中熱穩(wěn)定性的研究[J].Dianchi Gongye(電池工業(yè)),2012,17(4):81-84.