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9系三元鋰電池熱失控特性研究

發表時間:2023-03-31  |  點擊率:200

前言


鎳鈷錳或鎳鈷鋁三元鋰離子電池具有能量密度高、低溫及循環性能好等優勢[1],被廣泛應用于新能源汽車等領域。與此同時,三元鋰電池也存在著熱定性較差的缺點,三元正極材料在250-300℃的高溫下會發生劇烈的分解反應,同時釋放氧分子,誘發電解液燃燒和電池爆燃。

為滿足新能源汽車日益增長的續航里程需求,部分電池廠商致力于不斷提高電池的能量密度,因此三元鋰電池從低鎳3系電池不斷發展到高鎳8系以及超高鎳9系電池。理論上伴隨著活性金屬成分的不斷提升,正極材料和電池的熱穩定性下降,熱失控風險隨之上升。
由于超高鎳9系電池尚未實現規?;瘧?,行業內相對缺乏該類型電池的熱安全特征信息。本文利用電池絕熱量熱儀測試了9系三元鋰電池的熱失控過程,證明9系鋰電池的熱失控劇烈程度遠超其他類型的三元電池。

實驗部分


1. 樣品準備
電池樣品:  NCM9系三元軟包鋰電池(5Ah)
2. 實驗條件
實驗儀器:仰儀科技BAC-420A大型電池絕熱量熱儀、電池充放電設備、TP700多通道測溫儀;
實驗模式:HWS-R模式、溫差基線模式;
記錄頻率:1~100Hz;
自放熱檢測閾值:0.02℃/min;
熱電偶固定位置:電池大面中心點(樣品熱電偶)、電池正極(附加熱電偶)

實驗結果



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圖1 9系三元鋰電池熱失控(a)溫升及電壓曲線及(b)溫升速率-溫度曲線
表1 9系三元鋰電池熱失控特征參數表*
圖片
*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dT/dt =60°C/min。

根據測試數據,9系三元鋰電池自放熱起始溫度Tonset為86.78度,熱失控起始溫度TTR為202.76度,電池電壓的驟降點與TTR溫度基本一致。電池到達TTR之后具有JI高的溫升速率,2s內電池表面溫度達到熱失控最高溫度1109℃,最大升溫速率約為48900℃/min。與9系鋰電池相比,如圖2所示,6系電池從TTR到達Tmax需要70s,最大升溫速率約6500℃/min;8系電池需要5s,最大升溫速率約為20600℃/min,說明隨著鎳含量的上升,電池熱失控劇烈程度不斷提高。

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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

圖片


圖3  樣品鋰電池(a)熱失控視頻及(b)實驗后腔體照片


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.

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