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9系三元鋰電池熱失控特性研究

  • 發布時間:2023-02-02
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前言

鎳鈷錳或鎳鈷鋁三元鋰離子電池具有能量密度高、低溫及(ji)循(xun)環(huan)性能好(hao)等優(you)勢(shi)[1],被廣泛(fan)應用(yong)于新能源(yuan)汽車(che)等領(ling)域。與此同時,三元鋰電池也存在著熱穩定(ding)性較(jiao)差(cha)的(de)缺點,三元正極材料在250-300℃的(de)高溫下會發生劇烈的(de)分解反應,同時釋放氧分子,誘發電解液燃(ran)燒(shao)和電池爆燃(ran)。

為滿足新能(neng)源汽車(che)日益增長的(de)續航里程需求(qiu),部分(fen)電(dian)(dian)(dian)池(chi)廠商致力于(yu)不(bu)斷提高(gao)(gao)(gao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)能(neng)量密(mi)度,因此三(san)元鋰(li)電(dian)(dian)(dian)池(chi)從低鎳(nie)3系(xi)(xi)電(dian)(dian)(dian)池(chi)不(bu)斷發展到高(gao)(gao)(gao)鎳(nie)8系(xi)(xi)以及超高(gao)(gao)(gao)鎳(nie)9系(xi)(xi)電(dian)(dian)(dian)池(chi)。理論上伴隨(sui)著活性金(jin)屬成分(fen)的(de)不(bu)斷提升,正(zheng)極材(cai)料和電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)熱穩定性下降,熱失(shi)控風(feng)險隨(sui)之上升。

由(you)于超(chao)高(gao)鎳9系電(dian)池尚未實(shi)現規模化(hua)應用(yong),行業內相對缺乏(fa)該類型電(dian)池的熱(re)安全(quan)特征信息。本(ben)文利(li)用(yong)電(dian)池絕熱(re)量熱(re)儀(yi)測(ce)試了9系三(san)元(yuan)鋰電(dian)池的熱(re)失控過程,證明9系鋰電(dian)池的熱(re)失控劇烈程度遠(yuan)超(chao)其他類型的三(san)元(yuan)電(dian)池。

實驗部分

1. 樣品準備
電池樣品:  NCM9系三元軟包鋰電池(5Ah)
2. 實驗(yan)條件(jian)
實驗儀(yi)器:仰儀(yi)科(ke)技BAC-420A大(da)型電池(chi)(chi)絕熱(re)量熱(re)儀(yi)、電池(chi)(chi)充放(fang)電設(she)備、TP700多(duo)通道測溫儀(yi);
實(shi)驗模式(shi):HWS-R模式(shi)、溫差基(ji)線模式(shi);
記錄(lu)頻率:1~100Hz;
自(zi)放熱檢測閾值(zhi):0.02℃/min;
熱(re)電偶(ou)(ou)固(gu)定(ding)位置:電池大面中心點(樣品熱(re)電偶(ou)(ou))、電池正極(ji)(附(fu)加(jia)熱(re)電偶(ou)(ou))

實驗結果

圖1 9系(xi)三元鋰電池熱失控(a)溫升及電壓曲線及(b)溫升速率(lv)-溫度曲線


表1 9系三元鋰電(dian)池熱失控特(te)征參數表*


*上述參數均以樣品熱電偶貼合處溫度進行計算;
**Tonset判斷條件為dT/dt =0.02C/min;

***TTR判斷條件為(wei)dT/dt =60°C/min。


根據測試數據,9系三元鋰電(dian)(dian)池(chi)自放熱起(qi)始溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)Tonset為86.78度(du)(du)(du),熱失(shi)(shi)控(kong)起(qi)始溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)TTR為202.76度(du)(du)(du),電(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)壓的驟(zou)降(jiang)點(dian)與TTR溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)基本一致。電(dian)(dian)池(chi)到達(da)TTR之后具有極高的溫(wen)(wen)(wen)升(sheng)速(su)(su)(su)率(lv),2s內電(dian)(dian)池(chi)表面溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)達(da)到熱失(shi)(shi)控(kong)最(zui)(zui)高溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)1109℃,最(zui)(zui)大(da)升(sheng)溫(wen)(wen)(wen)速(su)(su)(su)率(lv)約為48900℃/min。與9系鋰電(dian)(dian)池(chi)相比,如圖2所示,6系電(dian)(dian)池(chi)從TTR到達(da)Tmax需(xu)要70s,最(zui)(zui)大(da)升(sheng)溫(wen)(wen)(wen)速(su)(su)(su)率(lv)約為6500℃/min;8系電(dian)(dian)池(chi)需(xu)要5s,最(zui)(zui)大(da)升(sheng)溫(wen)(wen)(wen)速(su)(su)(su)率(lv)約為20600℃/min,說明隨著(zhu)鎳(nie)含量的上升(sheng),電(dian)(dian)池(chi)熱失(shi)(shi)控(kong)劇烈程(cheng)度(du)(du)(du)不斷提高。


圖2 (a)6系三元溫升速率-溫度及(b)8系三元溫升速率-溫度曲線

圖3  樣品鋰(li)電池(a)熱失控視頻及(b)實驗后(hou)腔體照片(pian)


另外,從視頻及圖片中發現,9系鋰電池在熱失控瞬間發生了猛烈的火焰噴射現象,并且量熱腔壁面殘留大量電池材料噴射物,也說明該電池發生了劇烈的熱失控。


結論

本次實驗利用BAC-420A大型電池絕熱量熱儀測量了9系三元鋰電池的熱失控特征參數。相關實驗數據有助于對該類電池進行改良,提升其安全性。

參考文獻:
[1]張萌啟.三元鋰電池過充熱失控特性與探測方法研究[D].導師:杜建華.華僑大學,2020.