如何防止動(dòng)力電池?zé)崾Э?/h1>
2019-08-09 09:35
新能源汽車(chē)報(bào) 2019年24期
動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛、前景廣闊，然而其安全問(wèn)題仍亟需解決。中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)百人會(huì)執(zhí)行副理事長(zhǎng)歐陽(yáng)明高表示，為了解決動(dòng)力電池安全問(wèn)題，我國(guó)建立了清華大學(xué)電池安全實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)展了動(dòng)力電池安全防控研究，這其中就包括動(dòng)力電池?zé)崾Э刂鲃?dòng)安全防控技術(shù)。
歐陽(yáng)明高從四個(gè)方面，對(duì)動(dòng)力電池?zé)崾Э刂鲃?dòng)安全防控技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。
電池充電析鋰與快充控制
近期發(fā)生的充電事故的分析表明，主要是不當(dāng)快速充電或過(guò)充引發(fā)電池析鋰，導(dǎo)致熱失控溫度大幅度下降，從219℃下降到107℃，并與電解液劇烈反應(yīng)，導(dǎo)致電池在107℃發(fā)生熱失控。
通過(guò)實(shí)驗(yàn)表征發(fā)現(xiàn)，在快充的時(shí)候能夠明顯看出析鋰的產(chǎn)生，實(shí)驗(yàn)室通過(guò)對(duì)析鋰機(jī)理進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了析鋰的完整過(guò)程，包括電池充電過(guò)程負(fù)極表面鋰析出和重新嵌入，析出過(guò)程就是負(fù)極零電位之后形成，在電池停止充電之后，電位會(huì)恢復(fù)到零電位以上，這個(gè)時(shí)候會(huì)重新嵌入，然后所有的可逆鋰均完全溶解，負(fù)極不再發(fā)生反應(yīng)。
實(shí)驗(yàn)室對(duì)這個(gè)機(jī)理建立了仿真模型，在常規(guī)電池準(zhǔn)二維（P2D）模型基礎(chǔ)上加入析鋰反應(yīng)的過(guò)程，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了仿真和驗(yàn)證。從仿真結(jié)果看，可以成功模擬充電析鋰后電池靜置過(guò)程中的電壓平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)是重新嵌入的過(guò)程。對(duì)上述電壓平臺(tái)進(jìn)行微分處理，可以定量得到整個(gè)析鋰全過(guò)程的時(shí)間。以這個(gè)時(shí)間為一個(gè)變量，實(shí)驗(yàn)室可以建立經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出析鋰量。
電池內(nèi)短路與電池管理
內(nèi)短路是電池?zé)崾Э氐墓残原h(huán)節(jié)，各種各樣的原因都可能產(chǎn)生不同類(lèi)型的內(nèi)短路，包括機(jī)械變形、擠壓、撕裂、隔膜破裂、過(guò)充過(guò)放、極端過(guò)熱。更危險(xiǎn)的一種內(nèi)短路是自引發(fā)內(nèi)短路，如波音787的事故，是在制造過(guò)程中引入的雜質(zhì)和顆粒，在長(zhǎng)期運(yùn)行之后累積演變發(fā)生的。枝晶生長(zhǎng)是可以模擬的，而內(nèi)短路是較難進(jìn)行實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)的現(xiàn)象，需要發(fā)展各種各樣的替代實(shí)驗(yàn)方法。實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了一種新的替代實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行內(nèi)短路的模擬測(cè)試，主要是將特制的具有尖刺結(jié)構(gòu)的記憶合金內(nèi)短路觸發(fā)元件植入電池內(nèi)部，升溫使尖刺結(jié)構(gòu)翹起并刺穿隔膜，模擬內(nèi)短路過(guò)程。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)主要的內(nèi)短路類(lèi)型包括，鋁-銅、正極-銅、鋁-負(fù)極、正極-負(fù)極等四種電路。其中有的是立即發(fā)生熱失控，如鋁和負(fù)極的接觸，而正極和負(fù)極接觸一般不會(huì)發(fā)生熱失控，鋁和銅接觸的危險(xiǎn)程度也比較高，但是不一定馬上引發(fā)內(nèi)短路。
實(shí)驗(yàn)室對(duì)熱失控內(nèi)短路建立仿真模型，其中很重要的是內(nèi)短路位置的熔斷，這種熔斷可能導(dǎo)致整個(gè)內(nèi)短路終止，也有可能導(dǎo)致更劇烈的內(nèi)短路發(fā)生。為此，實(shí)驗(yàn)室對(duì)影響這種熔斷的各種參數(shù)進(jìn)行了分析，對(duì)整個(gè)內(nèi)短路發(fā)生演變的過(guò)程進(jìn)行了綜合分析和總結(jié)，在此基礎(chǔ)上，提出為防止發(fā)生熱失控，必須要在早期階段將內(nèi)短路檢測(cè)出來(lái)。
單體電池?zé)崾Э嘏c熱設(shè)計(jì)
隔膜材料發(fā)生了很多變化，從PE、PP、PE+Ceramic到PET材料，隔膜的耐熱溫度已經(jīng)很高，可以達(dá)到300℃;與此同時(shí)，正極材料從早期的LFP，到NCM111、NCM523、NCM622，再到現(xiàn)在的NCM811，正極材料的釋氧溫度在逐步降低。隨著這兩種技術(shù)的變化，熱失控的機(jī)理也在發(fā)生變化。早期電池大多由于隔膜崩潰引發(fā)大規(guī)模內(nèi)短路引發(fā)熱失控，但目前使用的耐高溫隔膜配811正極動(dòng)力電池，其熱失控的機(jī)理已經(jīng)發(fā)生變化，正極材料釋氧變成了引發(fā)熱失控的主因。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在沒(méi)有內(nèi)短路的情況下，把隔膜完全去掉，電解液抽干依然會(huì)發(fā)生熱失控。當(dāng)把正負(fù)極粉末混合進(jìn)行測(cè)試，會(huì)出現(xiàn)劇烈的放熱峰值。通過(guò)進(jìn)一步的分析發(fā)現(xiàn)，充電態(tài)正極材料在250℃左右開(kāi)始出現(xiàn)相變，并釋放活性氧，產(chǎn)生的氧氣與負(fù)極發(fā)生反應(yīng)，放熱量急劇增加，因此在新電池體系中，正負(fù)極氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生大量熱量是導(dǎo)致熱失控的直接原因，而不僅僅是傳統(tǒng)電池體系中隔膜崩潰導(dǎo)致內(nèi)短路引發(fā)熱失控。
電池系統(tǒng)的熱蔓延與熱管理
如果前面所有方法都失效，就要從整個(gè)系統(tǒng)的角度來(lái)考慮問(wèn)題。比如劇烈碰撞或者底盤(pán)被銳利物質(zhì)刺穿，會(huì)立即熱失控，這是時(shí)有發(fā)生的，這種熱失控只能從系統(tǒng)層面解決。
在一系列測(cè)試的基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了熱蔓延抑制設(shè)計(jì)，包括隔熱設(shè)計(jì)和散熱設(shè)計(jì)，隔熱設(shè)計(jì)是利用不同隔熱材料防止模塊熱蔓延，散熱設(shè)計(jì)是不同液冷流量對(duì)熱蔓延進(jìn)行抑制。在一般的電池系統(tǒng)中，隔熱和散熱單獨(dú)就可以解決熱蔓延的過(guò)程，但是在新電池體系中，需要把隔熱和散熱兩者結(jié)合起來(lái)抑制熱蔓延，這就是所謂的防火墻技術(shù)。
本文根據(jù)2019 中國(guó)（青海）鋰產(chǎn)業(yè)與動(dòng)力電池國(guó)際高峰論壇上歐陽(yáng)明高發(fā)言速記整理，有刪減，未經(jīng)本人審閱。
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歐陽(yáng)明高從四個(gè)方面，對(duì)動(dòng)力電池?zé)崾Э刂鲃?dòng)安全防控技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。
電池充電析鋰與快充控制
近期發(fā)生的充電事故的分析表明，主要是不當(dāng)快速充電或過(guò)充引發(fā)電池析鋰，導(dǎo)致熱失控溫度大幅度下降，從219℃下降到107℃，并與電解液劇烈反應(yīng)，導(dǎo)致電池在107℃發(fā)生熱失控。
通過(guò)實(shí)驗(yàn)表征發(fā)現(xiàn)，在快充的時(shí)候能夠明顯看出析鋰的產(chǎn)生，實(shí)驗(yàn)室通過(guò)對(duì)析鋰機(jī)理進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了析鋰的完整過(guò)程，包括電池充電過(guò)程負(fù)極表面鋰析出和重新嵌入，析出過(guò)程就是負(fù)極零電位之后形成，在電池停止充電之后，電位會(huì)恢復(fù)到零電位以上，這個(gè)時(shí)候會(huì)重新嵌入，然后所有的可逆鋰均完全溶解，負(fù)極不再發(fā)生反應(yīng)。
實(shí)驗(yàn)室對(duì)這個(gè)機(jī)理建立了仿真模型，在常規(guī)電池準(zhǔn)二維（P2D）模型基礎(chǔ)上加入析鋰反應(yīng)的過(guò)程，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了仿真和驗(yàn)證。從仿真結(jié)果看，可以成功模擬充電析鋰后電池靜置過(guò)程中的電壓平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)是重新嵌入的過(guò)程。對(duì)上述電壓平臺(tái)進(jìn)行微分處理，可以定量得到整個(gè)析鋰全過(guò)程的時(shí)間。以這個(gè)時(shí)間為一個(gè)變量，實(shí)驗(yàn)室可以建立經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出析鋰量。
電池內(nèi)短路與電池管理
內(nèi)短路是電池?zé)崾Э氐墓残原h(huán)節(jié)，各種各樣的原因都可能產(chǎn)生不同類(lèi)型的內(nèi)短路，包括機(jī)械變形、擠壓、撕裂、隔膜破裂、過(guò)充過(guò)放、極端過(guò)熱。更危險(xiǎn)的一種內(nèi)短路是自引發(fā)內(nèi)短路，如波音787的事故，是在制造過(guò)程中引入的雜質(zhì)和顆粒，在長(zhǎng)期運(yùn)行之后累積演變發(fā)生的。枝晶生長(zhǎng)是可以模擬的，而內(nèi)短路是較難進(jìn)行實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)的現(xiàn)象，需要發(fā)展各種各樣的替代實(shí)驗(yàn)方法。實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了一種新的替代實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行內(nèi)短路的模擬測(cè)試，主要是將特制的具有尖刺結(jié)構(gòu)的記憶合金內(nèi)短路觸發(fā)元件植入電池內(nèi)部，升溫使尖刺結(jié)構(gòu)翹起并刺穿隔膜，模擬內(nèi)短路過(guò)程。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)主要的內(nèi)短路類(lèi)型包括，鋁-銅、正極-銅、鋁-負(fù)極、正極-負(fù)極等四種電路。其中有的是立即發(fā)生熱失控，如鋁和負(fù)極的接觸，而正極和負(fù)極接觸一般不會(huì)發(fā)生熱失控，鋁和銅接觸的危險(xiǎn)程度也比較高，但是不一定馬上引發(fā)內(nèi)短路。
實(shí)驗(yàn)室對(duì)熱失控內(nèi)短路建立仿真模型，其中很重要的是內(nèi)短路位置的熔斷，這種熔斷可能導(dǎo)致整個(gè)內(nèi)短路終止，也有可能導(dǎo)致更劇烈的內(nèi)短路發(fā)生。為此，實(shí)驗(yàn)室對(duì)影響這種熔斷的各種參數(shù)進(jìn)行了分析，對(duì)整個(gè)內(nèi)短路發(fā)生演變的過(guò)程進(jìn)行了綜合分析和總結(jié)，在此基礎(chǔ)上，提出為防止發(fā)生熱失控，必須要在早期階段將內(nèi)短路檢測(cè)出來(lái)。
單體電池?zé)崾Э嘏c熱設(shè)計(jì)
隔膜材料發(fā)生了很多變化，從PE、PP、PE+Ceramic到PET材料，隔膜的耐熱溫度已經(jīng)很高，可以達(dá)到300℃;與此同時(shí)，正極材料從早期的LFP，到NCM111、NCM523、NCM622，再到現(xiàn)在的NCM811，正極材料的釋氧溫度在逐步降低。隨著這兩種技術(shù)的變化，熱失控的機(jī)理也在發(fā)生變化。早期電池大多由于隔膜崩潰引發(fā)大規(guī)模內(nèi)短路引發(fā)熱失控，但目前使用的耐高溫隔膜配811正極動(dòng)力電池，其熱失控的機(jī)理已經(jīng)發(fā)生變化，正極材料釋氧變成了引發(fā)熱失控的主因。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在沒(méi)有內(nèi)短路的情況下，把隔膜完全去掉，電解液抽干依然會(huì)發(fā)生熱失控。當(dāng)把正負(fù)極粉末混合進(jìn)行測(cè)試，會(huì)出現(xiàn)劇烈的放熱峰值。通過(guò)進(jìn)一步的分析發(fā)現(xiàn)，充電態(tài)正極材料在250℃左右開(kāi)始出現(xiàn)相變，并釋放活性氧，產(chǎn)生的氧氣與負(fù)極發(fā)生反應(yīng)，放熱量急劇增加，因此在新電池體系中，正負(fù)極氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生大量熱量是導(dǎo)致熱失控的直接原因，而不僅僅是傳統(tǒng)電池體系中隔膜崩潰導(dǎo)致內(nèi)短路引發(fā)熱失控。
電池系統(tǒng)的熱蔓延與熱管理
如果前面所有方法都失效，就要從整個(gè)系統(tǒng)的角度來(lái)考慮問(wèn)題。比如劇烈碰撞或者底盤(pán)被銳利物質(zhì)刺穿，會(huì)立即熱失控，這是時(shí)有發(fā)生的，這種熱失控只能從系統(tǒng)層面解決。
在一系列測(cè)試的基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了熱蔓延抑制設(shè)計(jì)，包括隔熱設(shè)計(jì)和散熱設(shè)計(jì)，隔熱設(shè)計(jì)是利用不同隔熱材料防止模塊熱蔓延，散熱設(shè)計(jì)是不同液冷流量對(duì)熱蔓延進(jìn)行抑制。在一般的電池系統(tǒng)中，隔熱和散熱單獨(dú)就可以解決熱蔓延的過(guò)程，但是在新電池體系中，需要把隔熱和散熱兩者結(jié)合起來(lái)抑制熱蔓延，這就是所謂的防火墻技術(shù)。
本文根據(jù)2019 中國(guó)（青海）鋰產(chǎn)業(yè)與動(dòng)力電池國(guó)際高峰論壇上歐陽(yáng)明高發(fā)言速記整理，有刪減，未經(jīng)本人審閱。
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