不同荷电状态锂电池模组热扩散特性的研究_李秀文.pdf

第 卷第期 年月 电池工业 ：不同荷电状态锂电池模组热扩散特性的研究李秀文，王思瑞，方广成（上汽通用汽车有限公司广德分公司 电池安全试验室，安徽 广德 ）摘要：随着动力锂电池技术的快速发展，电池比能量得以不断提升。然而外部滥用条件可能会引发电池热失控，释放更多的能量，产生更大的破坏力。以不同荷电状态的某三元锂电池模组为研究对象，对其进行挤压触发的热扩散试验。通过对各试验组样品第颗电芯失效时的热失控表现、最大挤压力、最高温度等关键参数进行分析和比对，发现荷电状态的高低对锂电池模组热扩散行为有显著影响。在高荷电状态下，模组受挤压时靠近挤压点的电芯会先发生剧烈的热失控，进而导致相邻电芯依次热失控。在低荷电状态下，靠近挤压点的电芯不会发生剧烈的燃烧、爆炸现象，也不会影响相邻电芯造成热扩散。文中的研究成果可以为该型三元锂电池在运输、存储过程中安全荷电状态限值的确定提供参考。关键词：锂离子电池；荷电状态；锂电池模组；热失控；热扩散中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，：；引用格式：李秀文，王思瑞，方广成 不同荷电状态锂电池模组热扩散特性的研究 电池工业，（）：，（）：引言随着新能源汽车产业的快速发展，动力锂离子电池（以下简称锂电池）的能量密度也在不断提高，高比能锂电池的应用在有效提升电动车续航里程的同时，也伴随着更高的风险。关于高比能锂电池安全性的讨论和研究已经成为全行业关注的热点问题。等对 电池在惰性气体环境中发生热失控时的放热量、产气量与荷电状态（，）的关系进行了深入研究，提出电池的放热总量等于电池的焓变，即理论上电量越高的电池在燃烧时的放热总量就越大。等研究了某型号锂电池 与放热率之间的关系：越大，燃烧过程越剧烈，燃烧时间越短；下该型号电池的放热速率最大，但是由于燃烧时间短，所以总产热量反而低于 水平较低的电池。张青松等对锂电池的爆炸特征进行了实验总结，得出随着锂电池的 增大，其稳定性降低的结论。从上述研究结果可以发现，锂电池发生热失控时的能量释放特性与 有着密切关系，越高，锂电池储存的能量越高，发生热失控时产生的破坏性越大。在锂电池的实际应用中，如果是电池总成内的单颗电芯发生热失控，在其各种化学反应放出热量的影响下，还有可能出现相邻电芯相继发生热失控的热扩散现象。热扩散的破坏性远远大于单颗电芯热失控，由于短时间内放出极高的热量并伴随大量可燃、有毒的气体及粉尘释放，对周边的人和物会产生巨大的安全威胁 。因此在锂电池的运输、存储等过程中，对锂电池发生热扩散行为的预防尤为关键。行业内关于锂电池单体热失控时放热量、产气量、气体成分分析和质量损失等特征参数的研究已经获得较为可观的成果，但是关于在模组级别甚至电池包总成级别的电芯热失控后发生热扩散现象的试验研究还不够充分。因此，使用电池挤压试验台架对不同荷电状态的某款高比能三元锂电池模组进行一系列挤压触发热失控的试验，通过对试验现象和试验数据的定性、定量分析，研究锂电池模组的热扩散特性与 之间的关系。该研究不仅可以了解不同荷电状态下锂电池失效的破坏性，还得出了锂电池产品在运输和存储过程中的安全电压限值，为锂电池生产和运输行业提供了控制锂电池荷电状态的试验数据支持，从而加强了安全管控流程。锂电池模组热扩散试验试验设定试验的研究对象为 系列三元锂离子电池模组，模组由 颗容量为 的电芯按照两并八串的形式排列组成。试验准备阶段：使用 电流将四 组 样 件 分 别 充 电 至 、及 ，且保证模组内各个电芯单体的电压也基本一致。样件电池模组的模型如图所示，模组内电芯从总负极开始按照 进行编号。其中在、号电芯的正极触点上布置型热电偶，用于监测热失控过程中的温度变化，并依次 编 号 为 。温 度 数 据 使 用 温 度 数 采 模 块 进 行 采 集，电 压 数 据 使 用 电压数采模块进行采集，数据采集频率设定为 。图试验用模组的三维模型示意图 试验台架为电池安全试验室的针刺挤压试验台，设备型号：，制造商为深圳市瑞佳达科技有限公司。试验台的挤压力和位移参数均经过标定和计量。试验中挤压方向为从模组总正极到模组总负极反向，使用直径为 的圆柱形挤压头，挤压头轴线方向与模组上下方向平行，设定的挤压速度为 ，台架布置如图所示。图模组挤压试验台架布置 电池工业 第 卷试验现象与数据分析 模组挤压试验 模组挤压过程的变形率和压力变化曲线如图（）所示。“变形率”指的是模组被挤压台侵入的变形量与模组在挤压方向上总长度的比值。挤压初期，挤压头以的速度挤压模组，模组外壳和上部塑料盖板发生变形。当挤压变形量达到时，暂停挤压并观察一段时间。观察结束后继续挤压，直到靠近挤压头一侧的第颗电芯发生热失控后停止，撤去挤压头，进入热扩散观察阶段。最终在第颗电芯发生热失控时，挤压力达到 ，变形率约。如图（）所示，样件模组发生了热扩散现象，即自第颗电芯发生热失控以后，剩下的 颗电芯相继发生热失控，其中第 颗和第 颗电芯发生热失控的时间间隔较短，反应现象出现重叠。结合视频监控和温度测量点的数据，温度曲线出现剧烈波动的位置对应着电芯发生热失控的时间点。此外，由于模组内电芯采用两并八串的形式进行成组，所 以 每 当 并 联 的 相邻两 颗 电 芯发 生失效后，模组的总压曲线会下降一个台阶，结合电压变化和温度变化曲线，可以准确地找到每颗电芯发生热失控的时间点。对第颗电芯失控触发时刻较前一颗电芯触发时刻的时间间隔进行统计发现，触发间隔时间数值分布较为离散，没有明显的规律性，如图所示。图 样品试验数据曲线 图 、模组挤压试验电芯失控时间间隔分布 模组挤压试验 模组挤压过程的变形率和压力变化曲线如图（）所示。挤压台操作同 模组挤压试验保持一致，待靠近挤压头一侧的第颗电芯 年第期李秀文，等：不同荷电状态锂电池模组热扩散特性的研究 发生热失控后停止挤压，撤去挤压头进入热扩散观察阶段。最终在第颗电芯发生热失控时挤压力达到 ，变形率约。如图（）所示，样件模组发生了热扩散现象，即自第颗电芯发生热失控以后，剩下的 颗电芯相继发生热失控。其中，第颗和第颗电芯发生热失控的时间间隔较长，且第颗电芯出现冒烟现象并未爆炸，说明前两颗电芯失控释放的能量较少，导致第颗电芯触发时间间隔异常久。此外，从温度数据曲线可知，电芯失控时的最高温度也明显低于 模组样品的失控温度数据。结合视频监控和温度测量点的数据，对每次触发的时间间隔进行统计，发现 模组热扩散过程中触发间隔时间数值分布较为平均，基本分布在 内，如图（）所示。模组挤压试验 模组挤压过程的变形率和压力变化曲线如图（）所示。挤压台操作同 模组挤压试验保持一致，待靠近挤压头一侧的第颗电芯发生热失控后停止挤压，撤去挤压头进入热扩散观察阶段。最终在第颗电芯发生热失控时，挤压力达到 ，变形率约。如图（）所示，温度曲线仅有一个波峰，且峰值明显低于前两组试验采得的热失控温度数值。样件模组没有发生热扩散现象，仅产生了大量的白色烟雾以及黑色残渣，类似于 模组挤压试验中第颗电芯的热失控现象。试验结束后观察样件发现，靠近挤压侧的前两颗电芯损毁，模组的总电压由 下降至。图 样品试验数据曲线 图 样品试验数据曲线 模组挤压试验 模组挤压过程的变形率和压力变化曲线如图（）所示。挤压台操作同 模组挤压试验保持一致，待靠近挤压头一侧的第颗电芯电池工业 第 卷发生热失控后停止挤压，撤去挤压头进入热扩散观察阶段。最终在第颗电芯发生热失控时，挤压力达到 ，变形率约。如图（）所示，温度曲线仅有一个波峰，且峰值明显低于前三组试验采得的热失控温度数值。样件模组没有发生热扩散现象，仅产生了少量的白色烟雾，烟雾中的可燃性气体被总负极极片处短路造成的电火花点燃，并进一步点燃了因电芯外壳破损而泄漏的电解液。试验结束后观察样件发现，靠近挤压侧的前两颗电芯损毁，模组的总电压由 下降至。图 样品试验数据曲线 结果与讨论对各 模组挤压试验数据进行对比，选取挤压过程中第颗电芯发生热失控时的挤压力和变形率进行比较，发现随着 的增高，最大挤压力和变形率呈下降趋势，且在 的状态下最大挤压力仅 时，第颗电芯就发生了热失控，远低于其他三组试验 左右的最大挤压力水平。通过对触发条件的对比可知，锂电池模组电量越高，触发第颗电芯热失控的条件越容易达到，即电池单体能量越高就越不稳定。对 和 这两组发生了热扩散的模组单颗电芯触发时间间隔数据进行比较，发现 模组在热扩散过程中的平均时间间隔约为 ，模组为 ，触发时间间隔在一定程度上会随着 的升高而缩短。但是各电芯发生热失控的时间间隔并无明显规律，其原因可能是模组内电芯与电芯之间有气凝胶隔热材料夹层，导致外部温度对夹层包裹的电芯的影响大大降低，每次的热失控触发都相当于一次独立的“加热热失控”过程，存在较大的偶然性。对各 模组挤压试验数据进行对比，选取挤压过程中第颗电芯发生热失控时的温度数据进行比较，发现 越高，失控反应所能达到的温度就越高，即反应时释放的能量就越多。此外，当 降低，热失控发生时总体放热量减少，模组各个位置的温度随之下降，低 状态下发生热扩散的可能性也大大降低。在该系列试验中，当 低于 时，模组未发生热扩散现象。结论该研究通过对 、及 这四组不同荷电状态模组的挤压试验现象和关键数据进行分析，得出以下结论。（）模组发生热扩散现象的可能性与 有明显的相关性，越高，发生热扩散的可能性越大。该系列试验中，低于 水平的模组不会发生热扩散。在进行锂电池运输和存储前将样件 调整至低于 的水平，可以大大降低因意外导致电池失效进而引发热扩散和火灾事故的风险。（）模组在发生热扩散时的触发间隔与 有一定相关性，呈现出 越高，反应间隔时间越短的规律，且高 下的扩散反应更加无序化。（）模组在发生热扩散时的反应现象与 有一定关系，随着 的下降，反应时的最高温度降低，电芯有可能出现只冒烟不爆燃的热失控现象。（）模组第颗电芯触发热失控的条件与 年第期李秀文，等：不同荷电状态锂电池模组热扩散特性的研究 有明显关系，越高越容易触发电芯的热失控。参考文献：汪伟伟，丁楚雄，高玉仙，等磷酸铁锂及三元电池在不同领域的应用 电源技术，（）：，（）：张青松，郭超超，秦帅星锂离子电池燃爆特征及空运安全性研究 中国安全科学学报，（）：李毅，于东兴，张少禹，等 锂离子 电 池 火 灾 危 险 性 研究中国安全科学学报，（）：，：，（）：，（）：，（）：张青松，戚瀚鹏，罗星娜，等电量影响下的锂离子电池热稳定性研究 消防科学与技术，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：张亚军，王贺武，冯旭宁，等动力锂离子电池热失控燃烧特性研究进展机械工程学报，（）：收稿日期：；修回日期：。作者简介：李秀文（），男，工程师，主要从事整车道路与台架验证试验的相关工作。：电池工业 第 卷