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大容量高鎳鋰電池絕熱熱失控特性研究

  • 發布時間:2022-07-14
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檢(jian)測(ce)150Ah以上的(de)高鎳(nie)三(san)元電芯(xin)的(de)絕熱熱失控特(te)性是行業內的(de)熱點與(yu)難(nan)點問題,本文利用仰儀科技BAC-420A大型電池(chi)絕熱量(liang)熱儀測(ce)定了190Ah NCM 811電芯(xin)的(de)熱失控特(te)征參數(shu),填補了大容(rong)量(liang)高鎳(nie)鋰電池(chi)的(de)檢(jian)測(ce)空白,有助于為電動車(che)等應用場景下的(de)安全防護(hu)和熱管(guan)理設計提供基礎數(shu)據(ju)。

前言

近年來,伴隨電動汽車行業的快速發展,國家相關補貼政策也對電動汽車的電池能量密度和續航里程提出了更高的要求[1]。受產業政策要素引導,鋰電池單體也不斷向大容量和高比能量發展。目前400公里以上的續航里程為行業主流,且市場占有率逐步提升,電池能量密度在160 Wh/kg以上的車型的市場份額也在同步增長[2]。此外,“大電芯”還具有生產及應用綜合成本更低、BMS管理更便捷等優勢。在此背景下,大容量高鎳三元電芯成為動力電池的重要發展方向之一。

電池單體(ti)的(de)大(da)型(xing)化為單體(ti)熱(re)失控(kong)研究(jiu)帶來了(le)新(xin)的(de)挑戰。市面上常(chang)規的(de)電池絕(jue)(jue)熱(re)量熱(re)儀(yi)抗爆能(neng)力不(bu)足,測試(shi)大(da)容量高鎳(nie)電池存在安全風險,導致這類(lei)電池的(de)熱(re)失控(kong)數據(ju)不(bu)易獲取。針對上述問題,杭州(zhou)仰儀(yi)科技有限公司開發的(de)BAC-420A大(da)型(xing)電池絕(jue)(jue)熱(re)量熱(re)儀(yi)采用彈簧(huang)鎖扣結構優(you)化了(le)量熱(re)儀(yi)的(de)頂蓋(gai)和爐體(ti)的(de)連(lian)接設(she)計,以便(bian)于在電池熱(re)失控(kong)階段(duan)進行(xing)快速泄壓,從而(er)提高儀(yi)器的(de)抗爆性能(neng)。

本文(wen)利用BAC-420A,在經(jing)典HWS(加熱(re)-等(deng)待-搜尋)模式下測(ce)定(ding)得到了(le)(le)190Ah NCM 811電(dian)(dian)芯的絕熱(re)熱(re)失控數據(ju),并初步(bu)辨識了(le)(le)大容量高(gao)鎳電(dian)(dian)芯的熱(re)失控危險(xian)特性。

實驗部分

1. 樣品準備
電(dian)池樣品:190Ah NCM 811方殼電(dian)芯(100%SOC)。

2. 實驗條件

實(shi)驗儀器:杭州仰(yang)儀科技(ji)有限公司BAC-420A大型電(dian)池(chi)絕熱量熱儀、電(dian)池(chi)充放(fang)電(dian)設備(bei)、TP-700多通道測試儀;

試(shi)驗環境溫度:28℃;

采樣(yang)頻率:1-100Hz;

溫度(du)控(kong)制模式:HWS-R模式;

自放熱檢測閾值(zhi):0.02℃/min;

熱電(dian)偶固(gu)定(ding)位(wei)置:大面中心(xin)點、電(dian)池正極(ji)極(ji)耳、負極(ji)極(ji)耳、泄壓閥(fa)上方(fang)30mm。

圖1 (a)BAC-420A大型電池絕熱(re)量熱(re)儀(yi)和(b)電池樣品安裝示意圖

實驗結果

1. 絕熱熱失控曲線(xian)


圖2 190Ah電池(chi)熱失(shi)控(kong)(a)溫升/電壓-時間曲線和(he)(b)溫升速率(lv)-溫度曲線

大容量高鎳電(dian)芯達到熱(re)失(shi)控起始(shi)溫度后(hou)具(ju)有極高的能(neng)量釋放速率。如圖2所示,在儀器上蓋被頂起泄壓(ya)的情況(kuang)下,電(dian)池表面熱(re)失(shi)控最(zui)高溫度Tmax仍然(ran)能(neng)夠(gou)達到約1100℃,最大溫升速率超過10000℃/min,明顯高于磷酸鐵(tie)鋰和(he)中(zhong)低鎳NCM電池(chi)的數據(ju)。

圖3 190Ah電(dian)池熱(re)失控過程防爆(bao)箱(a)外部和(b)內(nei)部視頻畫面

通過視頻(pin)監控可(ke)以發(fa)(fa)現,190Ah電芯在熱(re)失控階段發(fa)(fa)生了猛烈的(de)(de)(de)煙氣噴發(fa)(fa)和火(huo)焰噴射現象。此(ci)(ci)外,據實驗現場(chang)觀察(cha),雖然儀(yi)器無損傷(shang),但電芯爆炸引發(fa)(fa)的(de)(de)(de)氣流沖擊能(neng)夠(gou)對(dui)5米(mi)外的(de)(de)(de)物體造成明顯(xian)的(de)(de)(de)破壞(huai)力。因(yin)此(ci)(ci),進行(xing)大容(rong)量高鎳電芯測(ce)試,為(wei)確保(bao)安全(quan)實驗室必(bi)須(xu)具備足夠(gou)的(de)(de)(de)泄爆面積。

結論

本文利用(yong)(yong)BAC-420A大(da)型電池絕熱量熱儀測(ce)量了大(da)容(rong)量高鎳鋰電池單(dan)體的熱失(shi)控參(can)數(shu)。相關(guan)數(shu)據可(ke)用(yong)(yong)于此類電池的熱失(shi)控風險評價以及(ji)熱管理系(xi)統設(she)計,提高電動汽車、儲能電站、民用(yong)(yong)航天等應用(yong)(yong)場(chang)景的安全(quan)性。

參(can)考資料:

[1] 2022年新能源汽(qi)車推廣補(bu)貼方案[EB/OL]. www.gov.cn,2021-12-31.

[2]新能源(yuan)乘用車動力(li)電池續航里(li)程發(fa)展趨(qu)勢分(fen)析[DB/OL]. www.autoinfo.org.cn,2021-06-18.