圓柱型鋰離子電池單體的熱失控試驗(yàn)研究

嚴(yán) 忠，張 雄，謝 鑫，劉志平，陳高文

(深圳渝鵬新能源汽車檢測(cè)研究有限公司，廣東 深圳 518118)

鋰離子動(dòng)力電池具有循環(huán)壽命長(zhǎng)、能量密度高、電壓高、自放電率低、無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，已成為混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車的主要?jiǎng)恿υ?。但是其自身存在的安全性問題制約了它的發(fā)展和推廣應(yīng)用[3-6]。而電動(dòng)汽車的安全性問題也主要來源于其動(dòng)力鋰電池[7-9]。鋰離子電池的安全問題主要體現(xiàn)在熱失控引起的起火、爆炸等方面[10-11]。本文就不同材料體系的圓柱型鋰單體電池進(jìn)行熱失控試驗(yàn)研究，并探究其對(duì)安全性能的影響。

1 試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)樣品為圓柱型單體電池，其種類及相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)樣品圓柱單體電池的種類及相關(guān)參數(shù)

1.2 熱失控試驗(yàn)方法

1) 試驗(yàn)環(huán)境溫度為25 ℃±2 ℃，大氣壓力為 86～106 kPa，相對(duì)濕度為15%～90%。將試驗(yàn)電池充電到100% SOC后，再對(duì)其用1 C電流繼續(xù)充電12 min[12]。

2) 使用環(huán)狀加熱裝置，為確保加熱絲緊固狀態(tài)參數(shù)一致，組裝時(shí)使用同一個(gè)3 Nm扭力扳手，并在電池表面安裝溫度傳感器。溫度傳感器布置在遠(yuǎn)離熱傳導(dǎo)的一側(cè)，即安裝在加熱裝置的對(duì)側(cè)，如圖1所示。溫度、電壓數(shù)據(jù)的采樣時(shí)間間隔為1 s[13]。

圖1 溫度傳感器的布置示意圖

3) 立刻啟動(dòng)加熱裝置，將加熱功率調(diào)成200 W對(duì)電池外殼的加熱絲進(jìn)行加熱。當(dāng)發(fā)生熱失控或者監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度達(dá)到300 ℃時(shí)，停止加熱，關(guān)閉加熱裝置[14]。

4) 熱失控判定。a) 觸發(fā)對(duì)象產(chǎn)生電壓降，且下降值超過初始電壓的25%；b) 監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度達(dá)到電池廠商規(guī)定的最高工作溫度(一般以中心監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度T2為準(zhǔn))；c) 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫升速率dT/dt≥1 ℃/s。 當(dāng)a)和c)或者b)和c)同時(shí)發(fā)生時(shí)，則判定發(fā)生熱失控[15]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 三元圓柱型鋰離子電池?zé)崾Э?/h3>

圖2(a)為三元鋰離子電池?zé)崾Э販囟群碗妷呵€，該單體電池廠商規(guī)定的最高正常工作溫度為60 ℃。剛開始加熱時(shí)，電池表面上的測(cè)點(diǎn)溫度逐漸上升。當(dāng)加熱時(shí)間達(dá)到300 s時(shí)，電池表面測(cè)點(diǎn)溫度T1、T2、T3分別為100 ℃、130 ℃、80 ℃，電壓下降至0 V。此時(shí)出現(xiàn)第一次溫度突升，對(duì)應(yīng)著電池內(nèi)部短路的發(fā)生，不同溫度測(cè)點(diǎn)稍有區(qū)別，這與電池不同部位的產(chǎn)熱有關(guān)，但還未發(fā)生熱失控。加熱持續(xù)，電池中部表面點(diǎn)的溫度T2迅速爬升。當(dāng)加熱到500 s時(shí),監(jiān)測(cè)點(diǎn)T1、T2、T3溫度分別達(dá)到了180 ℃、200 ℃，170 ℃，此時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫升速率dT/dt都≥1 ℃/s,達(dá)到熱失控判定的a)、b)和c)條件，電池發(fā)生熱失控。電池發(fā)生熱失控后，其熱量短時(shí)間內(nèi)迅速累積并釋放大量能量，出現(xiàn)第二次溫度急劇上升，監(jiān)測(cè)點(diǎn)T1、T2、T3最高溫度分別為230 ℃、500 ℃、200 ℃。三元圓柱型電池在熱失控后有劇烈的爆炸及明火產(chǎn)生，且火焰通明。

2.2 磷酸鐵鋰圓柱型鋰離子電池?zé)崾Э?/h3>

圖2(b)為磷酸鐵鋰電池的溫度和電壓試驗(yàn)曲線，該單體電池廠商規(guī)定的最高正常工作溫度為60 ℃。隨著加熱的進(jìn)行，在500 s時(shí)，電池表面T1、T2、T3監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度分別為80 ℃、150 ℃、70 ℃，且電壓出現(xiàn)小幅度下降，由3.95 V下降至約3.5 V，主要是由于纏繞的加熱絲存在局部溫度過高而導(dǎo)致電池局部發(fā)生微短路引起的，但還未發(fā)生熱失控。加熱持續(xù)，電池的溫度繼續(xù)上升，當(dāng)加熱至1 000 s時(shí)，電池電壓下降至0 V，此時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度T1、T2、T3分別為200 ℃、250 ℃、150 ℃，且它們的溫升速率dT/dt都≥1 ℃/s，達(dá)到熱失控a)、b)和c)判定條件，電池發(fā)生熱失控。熱失控后T1、T2、T3的最高溫度分別達(dá)到了約350 ℃、450 ℃、300 ℃。磷酸鐵鋰圓柱型電池在熱失控后伴有濃煙現(xiàn)象，但無(wú)爆炸及火焰產(chǎn)生。

2.3 鈦酸鋰圓柱型鋰離子電池?zé)崾Э?/h3>

圖2(c)為鈦酸鋰電池?zé)崾Э氐臏囟群碗妷呵€，該單體電池廠商規(guī)定的最高正常工作溫度為60 ℃。隨著加熱的進(jìn)行，電池的溫度逐漸上升，當(dāng)加熱至1 500 s時(shí)，電池表面測(cè)點(diǎn)的溫度T1、T2、T3分別為50 ℃、60 ℃、50 ℃，電池的電壓出現(xiàn)略微的下降,電池未發(fā)生熱失控。隨著加熱的持續(xù)進(jìn)行，溫度繼續(xù)上升，當(dāng)加熱至1 800 s時(shí)，電壓下降至約1 V，監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度T1、T2、T3分別為60 ℃、280 ℃、100 ℃，且它們的溫升速率dT/dt都≥1 ℃/s，達(dá)到熱失控a)、b)和c)判定條件，電池發(fā)生熱失控。熱失控后T1、T2、T3的最高溫度分別為120 ℃、380 ℃、150 ℃。鈦酸鋰圓柱型電池發(fā)生熱失控后，僅發(fā)生輕微的冒煙和漏液現(xiàn)象，無(wú)明火產(chǎn)生。

(a) 三元電池?zé)崾Э厍€

(b) 磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э厍€

(c) 鈦酸鋰電池?zé)崾Э厍€

2.4 熱失控結(jié)果分析

不同電池?zé)崾Э氐闹饕獏?shù)對(duì)比見表2。

表2 發(fā)生熱失控時(shí)的主要參數(shù)對(duì)比

圖3(a)和圖3(b)分別對(duì)比了3種材料體系的電池在熱失控過程中的電壓以及中心點(diǎn)(T2)溫度的變化情況。結(jié)果表明：三元材料體系電池在持續(xù)加熱至300 s時(shí)，電壓驟降為0 V，且在熱失控過程中會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速累積熱量并釋放大量能量，熱穩(wěn)定性較差；而磷酸鐵鋰電池加熱至1 000 s時(shí)，電壓下降為0 V,在熱失控時(shí)沒有起火，但電池泄壓閥打開，并伴有濃煙產(chǎn)生，釋放了一定的能量；鈦酸鋰材料體系的電池?zé)岱€(wěn)定性較好，也不易觸發(fā)熱失控，持續(xù)加熱至 1 800 s時(shí)，此時(shí)電壓才逐漸降為1.0 V，在熱失控后僅產(chǎn)生少量的煙霧，且在該過程中釋放的能量較低，不易產(chǎn)生內(nèi)部結(jié)構(gòu)上的損壞。

(a) 電壓變化

(b) 中心點(diǎn)T2溫度變化

3 結(jié)束語(yǔ)

試驗(yàn)中使用的三元、磷酸鐵鋰以及鈦酸鋰圓柱型單體電池在熱失控試驗(yàn)中，電池在觸發(fā)熱失控后，在熱失控的引發(fā)上表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。結(jié)果表明，本試驗(yàn)方法可有效模擬驗(yàn)證不同材料體系的鋰電池，采用電阻絲加熱引發(fā)熱失控對(duì)安全性能的影響。