鉅大LARGE | 點擊量：626次 | 2022年01月06日
定量評估大尺寸方形充電鋰電池機械濫用下的熱失控風(fēng)險
最近的一起發(fā)生在山東日照的TSLA電動汽車碰撞后起火事件，再次引起了人們關(guān)于動力鋰電池的安全性問題的關(guān)注。電動汽車的特殊性使得其關(guān)于動力鋰電池在極端情況下的安全性要求很高，因此在動力鋰電池的測試過程中也包含了嚴(yán)格的機械濫用情況下電池安全性的考核，例如擠壓、針刺等。
傳統(tǒng)的電池安全性評估，如擠壓、針刺等僅能對鋰離子電池的安全性做定性的評估，測試結(jié)果也僅有兩個：通過和不通過，我們無法判斷兩個通過測試的電池哪一個安全性更高，也不能判斷沒有通過測試的電池哪一個安全性更差，這極大的降低了這些安全性測試的參考意義。為了能夠?qū)煽铍姵氐陌踩赃M行定量的測試，建立一個絕對的標(biāo)準(zhǔn)以方便不同種類電池之間相互比較，美國橡樹嶺國家實驗室的HsinWang等對傳統(tǒng)的擠壓測試設(shè)備進行了改進，在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上，給電池施加了一個扭轉(zhuǎn)力，以減小電池在測試中受到的破壞，因此能夠?qū)︿囯x子電池的安全性進行定量的評估，HsinWang還建立了一套評分體系，為鋰離子電池的安全性進行打分，以方便不同種類的電池能夠相互進行比較。
目前能夠模擬鋰離子電池內(nèi)短路的方式有多種，例如針刺測試，小壓痕測試，BAJ測試和機械擠壓測試等，通過對大尺寸方形電池特點的分析，HsinWang認(rèn)為機械擠壓測試最適合應(yīng)用方形鋰離子電池的測試上。但是在傳統(tǒng)的擠壓的測試中由于電池受到的破壞太大，幾乎所有的電池都會發(fā)生熱失控，因此傳統(tǒng)的擠壓測試對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，只能對鋰離子電池的安全性進行定性分析?？赡軆蓚€電池都沒有通過安全性測試，但是A電池的安全性卻要好于B電池，為了能夠準(zhǔn)確的評估不同體系電池的安全性能，HsinWang對傳統(tǒng)的擠壓實驗進行了改進，通過在電池負(fù)極極耳上施加一個拉力，讓電池出現(xiàn)大約5°的扭曲，從而減少在擠壓過程中電池受到的破壞，因此該實驗?zāi)軌驕?zhǔn)確的評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電池一個非常典型的成功通過機械擠壓測試（正反饋）的判據(jù)，電池擠壓變形達到一定的程度后，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，則電池通過擠壓實驗。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
1.對LFp電池的安全性評估
為了測試上述的改進擠壓實驗的效果，同時評估LFp電池的安全性（由于LFp電池安全性較好，因此僅測試了風(fēng)險最高的100%SoC狀態(tài)），HsinWang針對100%SoC的LFp電池分別進行了僅有擠壓測試（左側(cè)）和在擠壓的過程中同時對電池施加一個扭轉(zhuǎn)力的測試（右側(cè)）。測試結(jié)果如下圖所示，從測試結(jié)果來看，僅對電池施加擠壓時，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。而在對電池進行擠壓的同時對電池施加一個扭轉(zhuǎn)力，降低了擠壓對電池的破壞，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)測試。
2.對NMC電池安全性的評估
在對25Ah的NMC電池擠壓-扭轉(zhuǎn)測試中，發(fā)現(xiàn)50%SoC狀態(tài)下的電池都成功通過了測試，如圖a所示，60%SoC狀態(tài)下的電池有三只通過了測試，如圖b所示，另外的三只沒有通過測試，如圖c所示，可見60%SoC的電池通過測試和不通過測試的概率各為50%，而80%SoC的電池則都沒有通過測試，如圖d所示。由此可見，60%SoC是NMC電池安全性的一個分水嶺，低于這個數(shù)值時電池相對是安全的，高于這個數(shù)值，則電池在機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)實驗中的熱成像圖，從圖中可以看到在短路發(fā)生后，短路點的溫度在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。
基于上述實驗結(jié)果，HsinWang為NMC電池給出了不同SoC狀態(tài)下的安全得分，如下表所示，在該評分體系下我們能夠更加精確的對電池的安全性進行評估，例如50%SoC的NMC電池和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)險較高，在機械濫用的情況下有50%的可能發(fā)生熱失控，而80%SoC的電池安全性風(fēng)險非常高，機械濫用情況下發(fā)生熱失控的概率為100%。
HsinWang設(shè)計的針對大尺寸方形電池的擠壓-扭轉(zhuǎn)實驗可以實現(xiàn)對鋰離子電池在機械濫用情況下的熱失控風(fēng)險進行定量的分析，實現(xiàn)了鋰離子電池安全性評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時代，進入到了數(shù)字信號時代。HsinWang設(shè)計的實驗方法還能夠進一步進行優(yōu)化，例如實驗的電池的數(shù)量可以更多一些，防止偶然因素對實驗結(jié)果的影響，控制實驗條件，例如溫度等，定量評估溫度等因素對電池安全性的影響。
