锂动力电池在常温下和绝热状态下过充现象对比

2020-09-02 16:57 ryder

对于那些担心电池安全的人来说,2019年注定是不平凡的一年,原因有三。首先,今年上半年,一些知名品牌的电动汽车(特斯拉、蔚来汽车、吉利等)着火,引起了社会的广泛关注。其次,CATL NCM811电池将正式量产供应。吉利几何A、广汽Aion S、小鹏G3(2020)等车型将配备NCM811电池组。三是《电动汽车动力电池安全要求》草案已提交WTO,即将发布。孟子曰:“鱼与熊掌不可兼得。”对于同样使用有机电解质的锂离子电池来说,在当前的技术背景下,对电池能量密度的疯狂追求意味着牺牲电池的安全。
 
电池安全始终是相对的,而不是绝对的。在正常安全范围内,电池的安全性可以得到充分保障。然而,在极端滥用的情况下(如过充、针刺、过放电、加热等),电池的热控制是一个非常可能的事件,甚至是不可避免的。因此,企业电池安全工程师的职责之一是研究电池的失效机理和性能在滥用各种极端条件下,和提高热控制阈值滥用极端条件下尽可能的前提下综合考虑电池的性能和成本,以便进一步减少热控制的可能性。在各种滥用试验中,过充比较苛刻,特别是对于NCM811系统电池,按照GB/T31485过充试验起火爆炸是常见的。
 
图文简要分析:
 
一、基本信息
 
表1。实验中使用的电池信息。

图1所示。电池绝热过充试验布置。
 
如表1所示,实验所用电池为15个Ah LMO-NMC混合正极的软包电池。电池正常电压范围为2.7-4.2V。电池在弧绝热热仪上进行绝热过充,如图1所示。在过充测试中,电池没有被夹住。过充试验的截止条件为电池电压达到7.9V。
 
二、常温过充
图2室温下电池过充结果对比:(a) 1.0c过充;(b) 0.13 c超载。
 
如图2所示,在室温下电池电压达到7.9 v的过度充电约40分钟1 C,而大约需要750分钟的电池电压达到7.9 v室温超过收费在0.13摄氏度,和750分钟/ 40分钟= 18.75 > 0.13 1 C / C = 7.69,表明超载比例对电池过度充电行为有重要影响,影响并不是一个简单的线性关系。从电池表面温度来看,1 C过充的电池表面温度最高为70℃,0.13 C过充的电池表面温度最高不超过40℃,电池不失去对热量的控制。另外值得注意的是,无论是1C过充电还是0.13C过充电,电池电压都是先上升,然后在5.0V附近出现类似的平台,最后电压迅速上升到7.9V截止。超载过程中考虑到当前值是恒定的,作者认为,平台面积约5.0 v的综合结果内部阻力的增加,锂电池短路引起的天然气生产肿胀,而随后的快速步电压7.9 v的结果严重电池气体生产和内部阻力显著增加的主要因素。
图3室温下电池过充对比结果
 
如图3所示,将SOC绘制出来,当SOC为160%时,1 C过充电池的截止状态达到7.9V,而0.13C过充电池的截止状态在SOC约为270%时达到。与图2相似,过充电电流越大,电池电压和表面温度上升越明显,并不是简单的线性关系。鉴于目前传统的NCM软包电池1c过充容易出现热失控,上述测试结果也表明,最终的过充测试结果不仅取决于充电比率,还取决于电池的化学系统、尺寸和容量等。
 
3.绝热过度充电
 
表2。不同比例的绝热增压结果总结。
图4.(a)电池过充0.13C后照片;(b)电池过充0.33C和1.3c的照片。
图5。不同电池比绝热过充结果的比较。
 
与常温过充不同的是,绝热过充电池内部产生的热量不能完全释放,电池的积热更为严重。如表2所示,图5,1.3度和0.33度和0.13 C过度充电电池电压为7.9 V截止时间分别58分钟,237分钟和602分钟,虽然不同于过度充电的时间很接近三个额外的能力(19日至20日啊),电池SOC SOC近230%失败,电池过度充电温度非线性有明显的差异。另外,在常温过充情况下,0.13C和1 c过充电池都只会膨胀而不失去热量控制,但在绝热过充情况下,0.33C和1 c过充电池都起火了,而0.13C过充电池则会破裂。这也说明,与常温过充相比,绝热过充的测试条件更加苛刻,电池更容易发生热失控。
图6。不同电池比下的绝热过充结果比较:(a) 0.13c;(b) 0.33摄氏度;(c) 1.3摄氏度。
 
如图6所示,不同配比的绝热增压电池在充电阶段并没有失去对热量的控制,而是在后续的静置过程中出现问题。在0.13C、0.33C、1.3c的充分绝热条件下,过充后电池静置14min、49min、48min不起火、破裂。
 
四。总结
 
(1)影响过充试验最终结果的因素很多,如散热条件、充电比、电池化学系统等都会影响试验结果。具体问题要在测试和分析中分析,而不是泛化。
 
(2)在散热的影响下,电池性能与功率比之间不存在简单的线性关系。但考虑到动力电池的实际应用,常温过充比绝热过充更接近实际情况。
 
(3)绝热过充电池的失效SOC比较一致,其性能与电池乘法器之间存在一定的线性关系,这也说明绝热过充可以更好地反映电池固有的一些热特性。

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