鋰電池?zé)崾Э氐脑蚣捌湟l(fā)方式的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究

程相靜

[摘 要]目前鋰電池的需求量在逐年增加，隨之而來的是巨大的運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)。引起鋰電池?zé)崾Э氐脑蚩梢苑譃閮深悾阂活愂莾?nèi)部原因，主要是鋰電池內(nèi)部的各種材料的放熱反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量小于所散失的熱量時(shí)便會(huì)造成熱失控；另一類是外部原因，過熱、撞擊、過充等都有可能有引發(fā)鋰電池發(fā)生熱失控。通過對鋰電池?zé)崾Э氐脑蚍治?，設(shè)計(jì)了兩種引發(fā)鋰電池發(fā)生熱失控的實(shí)驗(yàn)，為進(jìn)一步探究鋰電池?zé)崾Э氐囊l(fā)方式打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為以后的研究起到了指導(dǎo)性的作用。

[關(guān)鍵詞]鋰電池；熱失控；過熱；過充

目前鋰離子電池（以下簡稱鋰電池）在電動(dòng)車用電源、航空航天電源以及移動(dòng)設(shè)備電源等多方面應(yīng)用十分廣闊，鋰電池?fù)碛心芰棵芏却?、輸出電壓高以及環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)但是由于鋰電池的需求量在不斷增加，造成了其運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)不斷增大。2006年和2010年美國聯(lián)合包裹速遞服務(wù)公司（UPS）兩架貨機(jī)由于鋰電池發(fā)生熱失控導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生最后造成機(jī)毀人亡的空難事故發(fā)生。2015年中國國際航空公司CA1549航班同樣由于鋰電池的熱失控自燃起火造成災(zāi)害的發(fā)生。

正是由于鋰電池?zé)崾Э厥鹿实念l繁發(fā)生，國內(nèi)外研究學(xué)者對熱失控過程、機(jī)理以及引發(fā)熱失控的方式等方面開展研究。胡棋威等人選用一個(gè)由2到3個(gè)圓柱形鋰電池組成電池組作為研究對象，使用電阻絲加熱的方式引發(fā)了單只鋰電池發(fā)生熱失控，從而研究鋰電池?zé)崾Э貍鞑サ闹饕緩健eng研究表明，電池殼的熱傳導(dǎo)是鋰電池?zé)醾鬟f的主要方式。楊明國等人認(rèn)為當(dāng)電池之間互不接觸時(shí)熱失控同樣可以傳遞，

這是因?yàn)楫?dāng)?shù)谝还?jié)電池發(fā)生熱失控后所產(chǎn)生的高溫火苗會(huì)導(dǎo)致相鄰的鋰電池溫度升高。Lamb J等人通過針刺的方式引發(fā)了圓柱形18650鋰電池和堆疊的袋裝電池發(fā)生熱失控，并記錄了熱失控傳播過程中電池的表面溫度和電壓等數(shù)據(jù)。本文主要通過不同的加熱方式設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，使鋰電池發(fā)生熱失控，并對鋰電池?zé)崾Э氐膫鞑ヌ攸c(diǎn)進(jìn)行了分析。

一、 引發(fā)鋰電池?zé)崾Э氐脑蚍治?/p>

1.引發(fā)鋰電池?zé)崾Э氐膬?nèi)部原因

鋰電池是指使用鋰合金金屬氧化物為正極材料、石墨為負(fù)極材料以及非水電解質(zhì)制成的可充電二次電池。電池內(nèi)部的各種材料間的化學(xué)反應(yīng)會(huì)使得熱量逐漸積累，當(dāng)電池內(nèi)的散熱速率跟不上產(chǎn)熱速率，也即是散熱量小于產(chǎn)熱量，便會(huì)導(dǎo)致熱失控現(xiàn)象的發(fā)生。因此鋰電池發(fā)生熱失控與其內(nèi)部的熱效應(yīng)有很大的關(guān)系。主要的放熱反應(yīng)有：SEI膜的分解；電解液的分解；正極分解；負(fù)極與電解液的反應(yīng)；負(fù)極與粘合劑的反應(yīng)；電池電阻的產(chǎn)熱。SEI膜是在首次充電的過程中，在負(fù)極表面生成的絕緣保護(hù)膜，使之不與電解液發(fā)生反應(yīng)，但是該膜不穩(wěn)定，在90-120℃時(shí)便會(huì)發(fā)生分解釋放熱量。若溫度繼續(xù)升高超過120℃時(shí)，SEI膜分解，負(fù)極與電解液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放出熱量。接下來隨著熱量的積累，溫度逐漸的升高，負(fù)極與粘合劑也逐漸發(fā)生反應(yīng)，Maleki H等報(bào)道了LixC6與PVDF的反應(yīng)熱為1.32×103J/g，反應(yīng)開始的溫度為200℃，在287℃時(shí)達(dá)到最大值。眾多研究學(xué)者對電解液的分解研究上有些分歧，，但唯一確定的是在電解液發(fā)生分解時(shí)同樣會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。

2.引發(fā)鋰電池?zé)崾Э氐耐獠吭?/p>

鋰電池在設(shè)計(jì)時(shí)為了出于安全考慮使用了安全閥門，但是在實(shí)際運(yùn)用過程中由于人們的不正當(dāng)操作，如過充、短路、撞擊、過熱等情況下都會(huì)引發(fā)鋰電池發(fā)生熱失控現(xiàn)象。鋰電池所使用的電解質(zhì)為有機(jī)溶劑，過充會(huì)加速鋰電池的正負(fù)極以及粘結(jié)劑的放熱化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量的熱進(jìn)而誘導(dǎo)鋰電池發(fā)生熱失控。而當(dāng)鋰電池發(fā)生外部短路時(shí)，即正負(fù)極直接相連，在電池內(nèi)部的小空間中會(huì)突然產(chǎn)生大量的熱，引發(fā)內(nèi)部各種放熱反應(yīng)，同時(shí)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體會(huì)使電池內(nèi)部的壓強(qiáng)增大，從而使得電池的安全閥門被頂開，電池外殼變形，造成電池爆炸。另外一種方式就是過熱，當(dāng)鋰電池所處的環(huán)境溫度過高，就相當(dāng)于對電池進(jìn)行加熱，從而引發(fā)電池內(nèi)部的一系列放熱反應(yīng)，比如SEI膜的分解、負(fù)極與電解液發(fā)生發(fā)應(yīng)等，從而引發(fā)鋰電池的熱失控。

二、 引發(fā)鋰電池?zé)崾Э氐姆绞郊捌鋵?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1. 加熱引發(fā)鋰電池?zé)崾Э?/p>

通過對鋰電池?zé)崾Э氐脑蚍治?，可以得到其中過熱對鋰電池的影響最大，所以實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)常用加熱的方式使鋰電池在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，從而誘導(dǎo)鋰電池發(fā)生熱失控。

實(shí)驗(yàn)室中常用的加熱鋰電池的方法有電加熱、明火加熱和油加熱。明火加熱對單節(jié)電池或者多節(jié)電池進(jìn)行加熱時(shí)溫度高升溫速度快，可以很好地引發(fā)電池的熱失控，但是整個(gè)過程非常迅速不易觀察到鋰電池處在熱失控狀態(tài)下的變化過程。油加熱的危險(xiǎn)性較大并且對實(shí)驗(yàn)設(shè)備的要求較高。而電加熱卻可以避免上述的問題，對溫度的可控性好并且實(shí)驗(yàn)設(shè)備易操作，可觀察實(shí)驗(yàn)過程中鋰電池的變化情況。所以對加熱引發(fā)鋰電池?zé)崾Э氐膶?shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從電加熱的方式出發(fā)進(jìn)行開展研究。

在實(shí)際運(yùn)輸過程中鋰電池是按照一定的包裝標(biāo)準(zhǔn)放置到航空器中的。如下圖1所示，左邊是以10×10的紙質(zhì)隔板隔開每一節(jié)鋰電池，右邊是以5×5個(gè)單節(jié)電池為一個(gè)電池模塊，然后以2×2的紙質(zhì)隔板進(jìn)行阻隔開，形成一個(gè)完整的包裝。

為了最大程度的模擬實(shí)際生活中鋰電池?zé)崾Э氐沫h(huán)境，便以空運(yùn)鋰電池的包裝方式為原型，以加熱棒來替代發(fā)生熱失控的第一節(jié)電池，來研究鋰電池在過熱情況下的熱失控傳遞情況。因此設(shè)計(jì)出如下四種方案，如圖2所示。

其中圖2中（a）是研究鋰電池直接接觸加熱棒，沒有任何隔板，當(dāng)加熱一節(jié)電池時(shí)，觀察臨近電池的溫度變化以及狀態(tài)變化，從而得到鋰電池?zé)崾Э氐膫鞑ヒ?guī)律；圖（b）與圖（c）可以形成鮮明的對照組，比較不同厚度的阻隔板鋰電池?zé)崾Э氐膫鞑デ闆r。圖（d）是在封閉的情況下，加熱棒對電池進(jìn)行加熱引發(fā)鋰電池?zé)崾Э兀瑢Ρ惹叭N實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行探討加熱引發(fā)鋰電池?zé)崾Э氐那闆r。

2. 過充引發(fā)鋰電池?zé)崾Э?/p>

現(xiàn)實(shí)生活中，過充現(xiàn)象發(fā)生的非常頻繁，所謂的過充就是當(dāng)電池充滿電之后未能及時(shí)斷電繼續(xù)充電的行為。對過充電實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)從兩個(gè)角度進(jìn)行考慮，首先確定電池的種類，本實(shí)驗(yàn)所采用的鋰電池為18650型鋰離子電池，電池的容量為2600mAh，額定電壓為4.5V；其次選擇過充電的方式，一般情況下有兩種過充電的方式：（1）采用恒流和恒壓交換充電，先以1C電流進(jìn)行恒流充電，當(dāng)電池被充滿時(shí)，此時(shí)再采用恒壓充電，充電電壓為4.5V，直到電流小于1/3C為止，此為一個(gè)循環(huán)，增加電壓至4.6V進(jìn)行充電，直到電流小于1/3C為止，此為第二個(gè)循環(huán)，以此類推，每次增加電壓0.1V，直到電池充壞為止。（2）采用恒流充電方式，一直以1C的電流進(jìn)行充電，直到電池被充壞為止。在過充電的過程中，對鋰電池的表面溫度和電池的電壓做好實(shí)時(shí)記錄。并對結(jié)果進(jìn)行分析，找到過充時(shí)間與單體電池發(fā)生熱失控的相關(guān)關(guān)系，從而得出結(jié)論，找到防止電池過充的措施，避免鋰電池發(fā)生熱失控。

三、結(jié)語

鋰電池的需求量在逐年的增加，但因?yàn)槠鋸?fù)雜的結(jié)構(gòu)，易發(fā)生熱失控，對其運(yùn)輸也帶了極大的挑戰(zhàn)。引發(fā)鋰電池?zé)崾Э氐脑蛴袃深悾阂活悶樽陨韮?nèi)部原因，由于其內(nèi)部復(fù)雜的反應(yīng)而放出大量的熱量，當(dāng)所產(chǎn)生的熱量大于散發(fā)的熱量時(shí)，便會(huì)引發(fā)熱失控的發(fā)生；另一類是外部原因，過熱、過充和撞擊等從外部給予鋰電池能量，破壞鋰電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，同樣會(huì)引發(fā)鋰電池的熱失控。通過對兩個(gè)外部引發(fā)鋰電池?zé)崾Э胤绞降膶?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，從而得到控制鋰電池?zé)崾Э氐拇胧?。但本文只是做出了?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，雖然只是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，但在此過程中對鋰電池的熱失控有了非常詳細(xì)的了解，所以同樣意義重大，對以后的進(jìn)一步工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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