評(píng)估方形鋰電池機(jī)械濫用下的熱失控風(fēng)險(xiǎn)
發(fā)布時(shí)間:2017-06-26 責(zé)任編輯:susan
【導(dǎo)讀】最近的一起發(fā)生在山東日照的特斯拉電動(dòng)汽車碰撞后起火事件,再次引起了人們對(duì)于動(dòng)力電池的安全性問題的關(guān)注。電動(dòng)汽車的特殊性使得其對(duì)于動(dòng)力電池在極端情況下的安全性要求很高,因此在動(dòng)力電池的測(cè)試過程中也包含了嚴(yán)格的機(jī)械濫用情況下電池安全性的考核,例如擠壓、針刺等。
傳統(tǒng)的電池安全性評(píng)估,如擠壓、針刺等僅能對(duì)鋰離子電池的安全性做定性的評(píng)估,測(cè)試結(jié)果也僅有兩個(gè):通過和不通過,我們無法判斷兩個(gè)通過測(cè)試的電池哪一個(gè)安全性更高,也不能判斷沒有通過測(cè)試的電池哪一個(gè)安全性更差,這極大的降低了這些安全性測(cè)試的參考意義。為了能夠?qū)煽铍姵氐陌踩赃M(jìn)行定量的測(cè)試,建立一個(gè)絕對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)以方便不同種類電池之間相互比較,美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Hsin Wang等對(duì)傳統(tǒng)的擠壓測(cè)試設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn),在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上,給電池施加了一個(gè)扭轉(zhuǎn)力,以減小電池在測(cè)試中受到的破壞,因此能夠?qū)︿囯x子電池的安全性進(jìn)行定量的評(píng)估,Hsin Wang還建立了一套評(píng)分體系,為鋰離子電池的安全性進(jìn)行打分,以方便不同種類的電池能夠相互進(jìn)行比較。
目前能夠模擬鋰離子電池內(nèi)短路的方式有多種,例如針刺測(cè)試,小壓痕測(cè)試,BAJ測(cè)試和機(jī)械擠壓測(cè)試等,通過對(duì)大尺寸方形電池特點(diǎn)的分析,Hsin Wang認(rèn)為機(jī)械擠壓測(cè)試最適合應(yīng)用方形鋰離子電池的測(cè)試上。但是在傳統(tǒng)的擠壓的測(cè)試中由于電池受到的破壞太大,幾乎所有的電池都會(huì)發(fā)生熱失控,因此傳統(tǒng)的擠壓測(cè)試對(duì)不同種類電池安全性的“分辨率”就很低,只有通過和不通過兩種結(jié)果,只能對(duì)鋰離子電池的安全性進(jìn)行定性分析??赡軆蓚€(gè)電池都沒有通過安全性測(cè)試,但是A電池的安全性卻要好于B電池,為了能夠準(zhǔn)確的評(píng)估不同體系電池的安全性能,Hsin Wang對(duì)傳統(tǒng)的擠壓實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn),通過在電池負(fù)極極耳上施加一個(gè)拉力,讓電池產(chǎn)生大約5°的扭曲,從而減少在擠壓過程中電池受到的破壞,因此該實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驕?zhǔn)確的評(píng)估不同種類電池的的安全性高低。
注解1:電池通過擠壓的判據(jù)
為了方便讀者理解本文,下圖是給出了LFP電池一個(gè)非常典型的成功通過機(jī)械擠壓測(cè)試(正反饋)的判據(jù),電池?cái)D壓變形達(dá)到一定的程度后,引起了電池內(nèi)短路的發(fā)生,電池電壓迅速下降,檢測(cè)到電壓下降后(0.1V),擠壓力隨之被移除,電池的電壓快速回升,電池沒有發(fā)生熱失控,則電池通過擠壓實(shí)驗(yàn)。
1.對(duì)LFP電池的安全性評(píng)估
為了測(cè)試上述的改進(jìn)擠壓實(shí)驗(yàn)的效果,同時(shí)評(píng)估LFP電池的安全性(由于LFP電池安全性較好,因此僅測(cè)試了風(fēng)險(xiǎn)最高的100%SoC狀態(tài)),Hsin Wang針對(duì)100%SoC的LFP電池分別進(jìn)行了僅有擠壓測(cè)試(左側(cè))和在擠壓的過程中同時(shí)對(duì)電池施加一個(gè)扭轉(zhuǎn)力的測(cè)試(右側(cè))。測(cè)試結(jié)果如下圖所示,從測(cè)試結(jié)果來看,僅對(duì)電池施加擠壓時(shí),由于電池受到的破壞較大,電池發(fā)生短路后,電池發(fā)生熱失控。而在對(duì)電池進(jìn)行擠壓的同時(shí)對(duì)電池施加一個(gè)扭轉(zhuǎn)力,降低了擠壓對(duì)電池的破壞,內(nèi)短路發(fā)生后,電壓迅速恢復(fù),沒有發(fā)生熱失控??梢奓FP電池具有非常優(yōu)異的安全性能,即使在100%SoC狀態(tài)下,也能安然通過擠壓-扭轉(zhuǎn)測(cè)試。
2.對(duì)NMC電池安全性的評(píng)估
在對(duì)25Ah的NMC電池?cái)D壓-扭轉(zhuǎn)測(cè)試中,發(fā)現(xiàn)50%SoC狀態(tài)下的電池都成功通過了測(cè)試,如圖a所示,60%SoC狀態(tài)下的電池有三只通過了測(cè)試,如圖b所示,另外的三只沒有通過測(cè)試,如圖c所示,可見60%SoC的電池通過測(cè)試和不通過測(cè)試的概率各為50%,而80%SoC的電池則都沒有通過測(cè)試,如圖d所示。由此可見,60%SoC是NMC電池安全性的一個(gè)分水嶺,低于這個(gè)數(shù)值時(shí)電池相對(duì)是安全的,高于這個(gè)數(shù)值,則電池在機(jī)械濫用的情況下的安全性將大大下降。
下圖為60%SoC的NMC電池在擠壓-扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)中的熱成像圖,從圖中可以看到在短路發(fā)生后,短路點(diǎn)的溫度在0.5S內(nèi)迅速升高到了147.5 ℃,隨后高溫區(qū)域迅速向周圍擴(kuò)展,說明周圍區(qū)域溫度升高并不是由熱傳導(dǎo)導(dǎo)致的,而是高溫引發(fā)了其他的化學(xué)反應(yīng)。而在80%SoC下,NMC電池發(fā)生熱失控的溫度更高,引起周圍化學(xué)反應(yīng)的速度也更快。
基于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果,Hsin Wang為NMC電池給出了不同SoC狀態(tài)下的安全得分,如下表所示,在該評(píng)分體系下我們能夠更加精確的對(duì)電池的安全性進(jìn)行評(píng)估,例如50%SoC的NMC電池與100%SoC的LFP電池的安全性得分都為100分,因此它們具有相近的安全性。60%SoC的NMC電池安全性風(fēng)險(xiǎn)較高,在機(jī)械濫用的情況下有50%的可能發(fā)生熱失控,而80%SoC的電池安全性風(fēng)險(xiǎn)非常高,機(jī)械濫用情況下發(fā)生熱失控的概率為100%。
Hsin Wang設(shè)計(jì)的針對(duì)大尺寸方形電池的擠壓-扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰離子電池在機(jī)械濫用情況下的熱失控風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量的分析,實(shí)現(xiàn)了鋰離子電池安全性評(píng)估從定性到定量的發(fā)展,以前我們只能說某款電池的安全性是好,還是不好,而采用這種方法后,我們可以說某款電池的安全性有多好、多不好,就如同我們從模擬信號(hào)時(shí)代,進(jìn)入到了數(shù)字信號(hào)時(shí)代。Hsin Wang設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方法還能夠進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化,例如實(shí)驗(yàn)的電池的數(shù)量可以更多一些,防止偶然因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響,控制實(shí)驗(yàn)條件,例如溫度等,定量評(píng)估溫度等因素對(duì)電池安全性的影響。
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