首先我们要明确一个概念,三元锂电池是指电池正极材料为镍钴锰酸锂或者镍钴铝酸锂的锂电池。相对于同样广泛运用于新能源汽车的磷酸铁锂电池来说,三元锂电池有着能量密度高的优点,因此也会导致其热失控剧烈程度更高。如果想要了解三元锂电池热失控与电量的关系,那么我们需要对不同电量的三元电池进行热失控实验,并从多个维度对其分析。
1、首先,利用电池绝热量热仪(ARC)对锂电池单体进行热失控实验已经是业内研究电池热失控特征参数的主要方法。利用ARC可以得到电池自放热起始温度(Tonset)、电池热失控起始温度(TTR)、电池热失控最高温度(Tmax)和最大升温速率(dT/dt)max等参数。其中Tonset至TTR的升温阶段代表了热失控孕育过程,TTR是电池开始热失控的启动温度,TTR的高度很大程度上决定了热失控安全事故发生的概率;而Tmax及(dT/dt)max则表明了热失控的剧烈程度。
2、我们引用重庆理工大学林春景课题组近期发表的文章来具体说明热失控特征参数与电池电量之间的关系。文章中使用50%、75%、100%以及115% 4个不同SOC的电池,利用ARC的扫描模式进行热失控实验。
图1 不同SOC电池热失控温度曲线(上图)及最大温升速率曲线(下图) 1)从图1不难看出,随着电池SOC的上升,TTR单调下降,而Tmax及(dT/dt)max则单调上升。说明随着SOC的上升,电池热失控能够在更低的温度下发生,同时电池热失控瞬间释放的能量增大。即随着电量增大,电池热稳定性下降,热失控更易于发生,同时热失控剧烈程度更高,具有更大的热危害性。
2)对热失控后的电池残骸进行称量,可计算质量损失率。该方法同样能够判断电池热失控剧烈程度。从图2可以发现,SOC越高,电池的质量损失率越大,这是由于高SOC的电池在热失控过程中通常伴随更强烈的电池材料喷发、起火和燃爆现象。
图2 不同SOC电池质量损失率 3)同时关注电池热失控也要关注热失控产气。电池热失控产气发生燃爆是热失控安全事故重要原因。
3、电池产气主要由H2、CO、CH4、C2H6、C3H8等可燃性气体和惰性的CO2组成,在外加能量激励下易发生爆燃。可燃气在空气中能够被点燃的最低浓度称为气体的爆炸下限(LFL),显然气体爆炸下限越低,越容易被点燃,安全隐患越大。我们可以利用爆炸极限测试仪测定电池产气的爆炸下限,并分析该参数与电池SOC之间的关系。
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