低气压环境轴向压缩锂离子电池的机械性能_陈现涛.pdf

第 53 卷 第 2 期2023 年 4 月电池BATTERY BIMONTHLYVol.53,No.2Apr.,2023作者简介:陈现涛(1982-),男,山东人,中国民用航空飞行学院民航安全工程学院副教授,研究方向:机载锂电池的热安全;赵晨曦(1997-),男,河北人,中国民用航空飞行学院民航安全工程学院硕士生,研究方向:机载锂电池的热安全;刘杭鑫(1998-),男,四川人,中国民用航空飞行学院民航安全工程学院硕士生,研究方向:机载锂电池的热安全;贾井运(1990-),男,山东人,中国民用航空飞行学院民航安全工程学院讲师,研究方向:机载锂电池的热安全,通信作者。基金项目:四川省科技计划项目(2022YFG0236,2021YFSY0001)DOI:10.19535/j.1001-1579.2023.02.013低气压环境轴向压缩锂离子电池的机械性能陈现涛1,2,赵晨曦1,2,刘杭鑫1,2,贾井运1,2(1.中国民用航空飞行学院民航安全工程学院,四川 德阳 618307;2.中国民用航空飞行学院民机火灾科学与安全工程四川省重点实验室,四川 德阳 618307)摘要:锂离子电池在低气压环境下的安全性能研究对电池安全管理的改进十分重要。将环境压力设定为50 kPa 和95 kPa,对荷电状态(SOC)为 25%的 21700 型锂离子电池进行轴向挤压实验,探究两种气压环境下电池的载荷、电压和温度的变化特征,分析电池轴向压缩下的失效过程,研究电池在低气压环境下受到轴向压缩的机械性能。21700 型锂离子电池在低气压环境下,失效模量和结构压溃应力高于常压情况,电池发生失效的位移随着气压的降低,增长了 0.4 mm。电池失效后所达到的最高温度随着气压的降低,升高了 4,内部损坏程度也比常压情况大。关键词:低气压;轴向压缩;21700 型锂离子电池;失效过程;机械性能中图分类号:TM912.9 文献标志码:A 文章编号:1001-1579(2023)02-0179-05Mechanical properties of axially compressed Li-ion battery under low-pressure environmentCHEN Xian-tao1,2,ZHAO Chen-xi1,2,LIU Hang-xin1,2,JIA Jing-yun1,2(1.College of Civil Aviation Safety Engineering,Civil Aviation Flight University of China,Deyang,Sichuan 618307,China;2.Civil Aircraft Fire Science and Safety Engineering Key Laboratory of Sichuan Province,Civil Aviation Flight University of China,Deyang,Sichuan 618307,China)Abstract:The research on the safety performance of Li-ion battery under low-pressure environment was very important for the improvement of battery safety management.The environmental pressures were set to 50 kPa and 95 kPa,the axial extrusion experiments were performed on a 21700 type Li-ion battery with a state of charge(SOC)of 25%.The variation characteristics of the load,voltage and temperature of the battery under two air pressure environments were explored,the failure process of the battery under axial compression was analyzed,the mechanical properties of the battery under axial compression and low-pressure environment were studied.The failure modulus and structural crushing stress of the 21700 type Li-ion battery under low-pressure environment were significantly higher than those in normal pressure situation,the displacement of the battery failure increased by 0.4 mm with the decrease of air pressure.The maximum temperature reached after the battery failure increased by 4 with the decrease of air pressure,the damage degree inside the battery was also greater than that under normal pressure.Key words:low air pressure;axial compression;21700 type Li-ion battery;failure process;mechanical property 在电池系统的装配中,竖直放置形式的电池组使得圆柱形单体电池在发生地面冲击时更容易发生轴向变形,引发安全事故。此外,我国的高原面积辽阔,新能源汽车势必也将进入高原低气压环境,锂离子电池在低气压环境下安全性能的研究,对于电池安全管理改进具有十分重要的意义。国内外研究学者针对锂离子电池轴向压缩方面的机械电池BATTERY BIMONTHLY第 53 卷滥用开展了很多研究。J.E.Zhu 等1通过实验和模拟的方法,对荷电状态(SOC)为 0 的 18650 型锂离子电池进行轴向压缩,探究电池遭受挤压的不同阶段、分析短路触发的原因,并认为电池的短路是由于挤压内部隔膜产生的裂纹所导致。范文杰等2对 60%和 80%SOC 的 18650 型锂离子电池进行轴向挤压,得出加载方向是电池剧烈热失控的影响因素。M.Raffler 等3选用由离散光束元件组成的圆柱形锂离子电池的建模方法,进行轴向挤压实验的模拟,通过电压/载荷-位移曲线,观察到轴向变形的单体电池在较低的载荷力峰值下发生了电池失效,且轴向挤压实验中电池失效后的电压下降速率比径向平板、棒状等形式的挤压慢。本文作者以 21700 型单体锂离子电池为研究对象,将气压环境改变为 50 kPa,与常压 95 kPa 进行对比,观察在低气压环境、电池轴向压缩工况下的失效过程,分析在轴向压缩过程中载荷、温度与电压的变化特点,总结在低气压环境下轴向压缩对于 21700 型锂离子电池安全性能的影响,为锂离子电池安全设计与防护提供参考。1 实验1.1 实验对象实验样品为 21700 型单体锂离子电池(苏州产),正极材料为 LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2,负极材料为石墨,标准充放电电压为 4.22.5 V,额定容量为 4 000 mAh。进行预实验时,发现当 SOC 较高时,会导致电池瞬间发生爆炸,无法收取数据,因此,实验电池的 SOC 均选择 25%,并选取 30 只电池进行实验。在实验开始前,用 BT-2016C 电池测试系统(湖北产),按标准充电方式,以 0.50 C 恒流充电至 4.2 V,转恒压充电至0.02 C,完成充电;再以 0.20 C 恒流放电至设定的容量。1.2 实验平台及方案实验加载设备为 JD-6012A 挤压/针刺一体机(东莞产),通过一体机中的测量电压装置,采集压缩时的电压数据。为采集电池从初始到发生内部短路的温度数据变化,在电池表面中部布置温度传感器 K 型热电偶(常州产),并保证传感器探头紧贴电池表面,用 XM6000B 无纸记录仪(杭州产)记录整个实验过程的温度变化。用 F-2000 动压变温舱(杭州产)模拟低气压环境。在低压 50 kPa 和常压 95 kPa 两种气压环境下,对 SOC 为 25%的电池进行轴向压缩。为保证实验数据的可靠性,所有实验至少取 3 次有效实验数据,并选取相近有效实验数据的中间值,以减小实验产生的误差,同时验证实验的可重复性。2 结果与讨论2.1 不同气压环境下轴向压缩电池载荷、电压和温度变化通过挤压/针刺一体机,以 10 mm/min 的恒定速度在两种气压环境下对单体电池进行轴向压缩的载荷、温度和电压曲线见图 1。图 1 不同气压环境下电池的载荷、温度、电压-位移曲线Fig.1 Load,temperature,voltage-displacement curves of battery under different air pressure environments 从图 1 可知,两种气压环境下载荷的变化趋势相同。将锂离子电池的压缩量与自身长度之比记作压缩比。在载荷位移达到 2.0 mm(压缩比为 2.8%)之前,载荷上升速度缓慢。当载荷到达 1.5 kN 后,载荷上升速度开始变快。当位移处于 6.07.0 mm(压缩比为 8.5%10.0%)时,两种情况下的载荷均达到峰值,之后,载荷以较快的速度下降。对比电压与载荷曲线可知,两种气压环境下电压发生骤降的位移点都早于载荷峰值的位移点。在 50 kPa 气压环境下,当载荷力达到约 12 kN 时,电压发生骤降,位移为 6.06.5 mm(压缩比为 8.5%9.3%);而在 95 kPa 气压环境下,电压在约 10 kN 时发生骤降,位移为 5.56.0 mm(压缩比为7.9%8.5%)。电池在 95 kPa 下电压出现台阶式的下降,而在50 kPa 下的下降相对缓慢,两种情况下的电压都在降到0.5 V 时趋于平稳,之后电池彻底失效。综合分析温度-位移曲线可知,起初在两种情况下,电池的温度都与环境温度保持一致。因为低气压情况下环境温度有所下降,所以 50 kPa 下电池的初始温度比 95 kPa 下的略低,但不会影响实验结果。当位移为 6.06.5 mm(压缩比为 8.5%9.3%)时,95 kPa 气压环境下的电池温度骤升;当位移为 6.57.0 mm(压缩比为 9.3%10.0%)时,50 kPa 气压环境下的电池温度骤升。两种情况都在位移约为 9.5 mm(压缩比为 13.6%)时达到最高温度,随后,温度下降。2.2 不同气压环境下轴向压缩对电池安全性能的影响研究不同气压环境下的载荷、电压和温度等特征参数变化,可分析气压环境对锂离子电池安全性能的影响。电池在轴向挤压过程中所受到的名义应力、发生的名义应变和自身081第 2 期陈现涛,等:低气压环境轴向压缩锂离子电池的机械性能名义弹性模量等 3 个参数的变化,都是衡量电池单体力学行为的重要指标4。选用上述 3 个参数来描述在不同气压环境下电池的力学行为,探究其中的区别。在轴向挤压过程中,单体电池所受的名义应力 可以表示为:=FS(1)式(1)中:F 为电池所受载荷力;S 为电池受力面积。可通过压头位移 s,计算电池的轴向挤压名义应变,如式(2)所示。=sl(2)式(2)中:l 为电池的高度。电池单体在挤压过程中的名义弹性模量 E 可以表示为:E=dd(3)不同气压环境下,电池在轴向压缩下的名义应力和弹性模量随应变变化的曲线见