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清華大學(xué) | 測(cè)試條件對(duì)鋰離子電池針刺內(nèi)短路的影響和機(jī)理綜述

2022-01-27 13:44:12·  來(lái)源：電動(dòng)學(xué)堂  作者：張震乾等  
　
文章來(lái)源:清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院1引言當(dāng)今,消費(fèi)者對(duì)于乘用車的續(xù)航里程仍存在較大疑慮?國(guó)家補(bǔ)貼政策也在不斷退坡,相比于前幾年,拿到相同補(bǔ)貼需要開發(fā)
文章來(lái)源:清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院
1引言
當(dāng)今,消費(fèi)者對(duì)于乘用車的續(xù)航里程仍存在較大疑慮?國(guó)家補(bǔ)貼政策也在不斷退坡,相比于前幾年,拿到相同補(bǔ)貼需要開發(fā)續(xù)航里程更高的汽車;同時(shí)電動(dòng)汽車的換電模式因?yàn)榇嬖陔姵匾?guī)格不統(tǒng)一?換電站成本高?規(guī)模不足等缺點(diǎn);且目前電動(dòng)汽車的快充模式還無(wú)法達(dá)到與燃油車加油相同的充電速度,仍然無(wú)法普及?
以上這些因素促使整車廠以及動(dòng)力電池企業(yè)不斷追求更高能量密度的鋰離子電池,如高鎳正極材料,硅碳負(fù)極材料?而更高能量密度的鋰離子動(dòng)力電池因?yàn)槠浠瘜W(xué)體系更加不穩(wěn)定,其安全性能制約自身的發(fā)展?據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),在2020年共發(fā)生72起新能源汽車起火事故,其中一部分起火原因就是鋰離子電池發(fā)生了內(nèi)短路,而劇烈的內(nèi)短路會(huì)觸發(fā)電池的熱失控,導(dǎo)致悲劇的發(fā)生?
鋰離子電池作為新能源汽車的關(guān)鍵零部件之一,也是能量最高,最危險(xiǎn)的部件之一,其熱失控反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生巨大的危害?因此需要擴(kuò)充對(duì)鋰離子電池安全性的解讀與研究,深入探究鋰離子電池失效分析,包括內(nèi)短路的形成機(jī)理以及克服方式,進(jìn)而從設(shè)計(jì)開發(fā)上避免鋰離子電池?zé)崾Э胤磻?yīng)的發(fā)生,從而避免事故的發(fā)生?匯總了目前學(xué)者采用不同的測(cè)試方法觸發(fā)針刺熱失控反應(yīng),從測(cè)試條件方面分析針刺內(nèi)短路產(chǎn)生的原理,最后從測(cè)試條件方面提出減緩內(nèi)短路的方法,從而減緩熱失控反應(yīng)的劇烈程度,最后對(duì)針刺內(nèi)短路的探究方向進(jìn)行了展望?
2鋰離子電池針刺實(shí)驗(yàn)匯總
2.1針刺速度對(duì)針刺內(nèi)短路的影響
劉仕強(qiáng)?王芳等對(duì)磷酸鐵鋰體系,充電狀態(tài)SOC為100%的圓柱形電池(6.5Ah)和軟包電池(22Ah),采用直徑為3mm的耐高溫鋼針,以10?25?40?60?80mm/s的鋼針運(yùn)行速度對(duì)電池樣品進(jìn)行針刺實(shí)驗(yàn),穿刺點(diǎn)為幾何中心?
圓柱形電池:在不同針刺速度下,電池的溫升速度和最高溫度相差不大,且電壓最后都下降到了0V?因?yàn)閳A柱形電池的正極?負(fù)極和隔膜通過(guò)卷繞的方式放入殼體中,這導(dǎo)致了隔膜的伸展性差,在針刺時(shí)無(wú)法很好地包裹住鋼針,使鋼針更易于暴露于正負(fù)極間?
軟包電池:電壓的下降幅度比圓柱形電池小,針刺速度越快,電壓下降幅度越大,溫升速度越快,電池最高溫度也越高?因?yàn)檐洶姵氐木硇臼峭ㄟ^(guò)正極-隔膜-負(fù)極-正極這種方式一層層的堆疊出來(lái),所以各層之間的間隙會(huì)比圓柱形電池更大,隔膜的伸展性也比圓柱形電池更好?所以在針刺過(guò)程中,隔膜較好的延展特性使其可以部分包裹住鋼針,減少正負(fù)極的短路?在低速針刺時(shí),隔膜比高速針刺時(shí)的隔膜能更好的包裹住鋼針,所以低速針刺內(nèi)短路不明顯?
彭波?羅瓊瑤等人對(duì)18650圓柱形鈷酸(2.2Ah,2.6Ah)和三元鋰電池(2.5Ah)進(jìn)行不同針刺速度的實(shí)驗(yàn)?鋼針直徑為5mm,針刺速度為5?10?20?25?30?40mm/s,穿刺點(diǎn)為幾何中心,穿刺深度為100%?對(duì)于不同材料的3種電池,在不同的速度下電池的升溫速率都比較快,最高溫度都達(dá)到了90℃左右,并且與針刺速度并沒(méi)有呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性?
Xu等對(duì)1000mA的軟包電池進(jìn)行針刺實(shí)驗(yàn),正極材料是70%鈷酸鋰和30%三元材料,負(fù)極材料是石墨和氧化硅?采用不銹鋼鋼針,鋼針直徑為3mm?針刺速度為10?20?30?40mm/s?
在不同的針刺速度下,所有電池均發(fā)生了熱失控,同時(shí)電壓在針刺的瞬間降為0V?最后,不同針刺速度下的電池達(dá)到的最高溫度相同,升溫速度也基本相同?
Mao[9]等人采用18650電池,正極材料98%Li(Ni0.5Co0.2Mn0.3)O2和2%LiMn2O4,負(fù)極材料是天然石墨,2000mAh容量?鋼針直徑3mm,采用20?30?40mm/s的針刺速度,在所有的測(cè)試中,電池均發(fā)生了熱失控?說(shuō)明針刺速度在某一個(gè)范圍之內(nèi),對(duì)電池的熱失控反應(yīng)影響不大?
從這三種實(shí)驗(yàn)可以看出,針刺速度是不會(huì)影響到同一種類型的鋰電池是否會(huì)發(fā)生失控?劉仕強(qiáng)等人的實(shí)驗(yàn)中圓柱形電池和軟包電池雖然采用相同的磷酸鐵鋰體系,但是容量變動(dòng)較大,同時(shí)其他電池信息未知,故產(chǎn)生差異的原因較多,隔膜的延展性只能作為參考?
2.2針刺深度對(duì)針刺內(nèi)短路的影響
彭波?羅瓊瑤等人對(duì)18650型鈷酸鋰電池(2.2Ah,2.6Ah)和三元鋰電池(2.5Ah)進(jìn)行不同針刺深度的實(shí)驗(yàn)?鋼針直徑為5mm,穿刺點(diǎn)為幾何中心?
對(duì)18650型鈷酸鋰電池2.2Ah采用5mm/s的速度,針刺深度為10%?20%?30%?50%?100%?在10%深度時(shí),電池溫度緩慢升高,最高溫度50℃左右,而到了20%之后,最高溫度上升到95℃左右,超過(guò)50%的深度,電池開始產(chǎn)氣鼓脹?
對(duì)18650型鈷酸鋰電池2.6Ah采用25mm/s的速度,針刺深度為10%?20%?30%?50%?100%?在10%針刺深度時(shí),電池升溫速度較慢,最高溫度達(dá)到了105℃,當(dāng)針刺深度20%時(shí),最高溫度達(dá)到110℃?接下來(lái)隨著深度的增加,最高溫度并沒(méi)有明顯的升高,但是電池升溫速度越來(lái)越快,說(shuō)明電池越來(lái)越接近熱失控?
對(duì)于18650型三元鋰電池2.5Ah采用25mm/s的速度,針刺深度為10%,20%,30%,40%,50%,100%深度?當(dāng)針刺10%深度時(shí),電池溫度沒(méi)有明顯的變化,當(dāng)針刺深度為30%時(shí),最高溫度達(dá)到102℃左右?
Mao[9]等人采用18650電池,正極材料98%Li(Ni0.5Co0.2Mn0.3)O2和2%LiMn2O4,負(fù)極材料是天然石墨,2000mAh容量?鋼針直徑3mm,速度30mm/s?針刺深度分別為6mm,9mm,12mm,刺穿(18mm)?在實(shí)驗(yàn)中,6mm針刺深度的情況下4個(gè)實(shí)驗(yàn)中,2個(gè)實(shí)驗(yàn)發(fā)生了熱失控,2個(gè)沒(méi)有發(fā)生熱失控,而深度更大的9mm,12mm或者刺穿的實(shí)驗(yàn)中,所有的電池都出現(xiàn)了熱失控,可以看出,針刺深度會(huì)影響鋰電池的熱失控行為?因?yàn)獒槾躺疃仍缴?那么會(huì)導(dǎo)致更多的電極層和鋼針發(fā)生短路?
所以整體來(lái)看,隨著針刺深度的加深,電池升溫速度越快,最高溫度逐漸升高,說(shuō)明了電池針刺深度加深,內(nèi)短路加劇,釋放能量速度越快,火災(zāi)和爆炸安全風(fēng)險(xiǎn)也越來(lái)越高?
2.3針刺位置對(duì)針刺內(nèi)短路的影響
Xu等對(duì)1000mA的鋰電池軟包電池進(jìn)行研究,正極材料是70%鈷酸鋰和30%三元材料,負(fù)極是石墨和氧化硅?鋼針采用不銹鋼針,鋼針直徑為3mm,針刺速度為20mm/s?研究針刺位置對(duì)鋰離子電池內(nèi)短路的影響?
該實(shí)驗(yàn)總共針刺4個(gè)部位,如圖1所示?無(wú)論針刺在哪個(gè)部位,所有電池均鼓脹?冒煙,最后出現(xiàn)了熱失控?針刺位置C和其他3處地方不一樣,在針刺后電壓出現(xiàn)下降,隨后電壓出現(xiàn)反彈,并出現(xiàn)波動(dòng),最后降為0V,如圖2所示?因?yàn)樵陔姵剡吘壔钚晕镔|(zhì)更少,所以短路回路更加容易被打斷?但是因?yàn)殡姵匕l(fā)生了熱失控,所以不同實(shí)驗(yàn)的升溫速率和最高溫度基本相同?

Mao等人采用18650電池,正極材料98%Li(Ni0.5Co0.2Mn0.3)O2和2%LiMn2O4,負(fù)極材料是天然石墨,2000mAh容量?鋼針直徑3mm,針刺速度30mm/s?對(duì)電池不同位置進(jìn)行針刺,探究針刺位置對(duì)內(nèi)短路的影響,如圖3所示?
在100%SOC的情況下,無(wú)論是P1還是P2,P3,所有的電池均發(fā)生了熱失控?說(shuō)明針刺位置和熱失控?zé)o關(guān)?
Donal等人采用4mm的不銹鋼針對(duì)18650電池(型號(hào):LGICR18650S3)進(jìn)行4個(gè)不同方向的針刺,位置如下:
(1)位置a,水平方向中間位置;
(2)位置b,垂直方向底部偏心位置;
(3)位置c,水平位置靠近電池頂部的位置;
(4)位置d,垂直方向頂部偏心位置,如圖4所示?
結(jié)果4個(gè)方向均發(fā)生了熱失控?但是a,c位置熱失控最高溫度比b,d點(diǎn)的最高溫度要低?因?yàn)椴煌恢玫氖C(jī)理不同,垂直穿透時(shí)(b,d)短路的極片數(shù)量較少,熱失控傳播速度慢,同時(shí)b,d兩處位于電池兩端的位置,熱量傳播較慢,容易積聚,也就沖開泄壓閥的時(shí)間更長(zhǎng),所以導(dǎo)致了最高溫度較高?而這也可能會(huì)導(dǎo)致在更低的SOC出現(xiàn)熱失控,因?yàn)閍,c處短路熱量可以很快傳遞到兩端進(jìn)行散熱,而b,d處短路容易造成熱量積聚?
因此針刺位置并不會(huì)對(duì)電池內(nèi)短路產(chǎn)生較大影響,從而影響到熱失控的發(fā)生?
2.4電池SOC對(duì)針刺內(nèi)短路的影響
Xu等對(duì)1000mA的鋰電池軟包電池進(jìn)行研究,正極材料是70%鈷酸鋰和30%三元材料,負(fù)極是石墨和氧化硅?鋼針采用不銹鋼針,鋼針直徑為3mm,針刺速度為20mm/s?研究電池SOC對(duì)鋰離子電池內(nèi)短路的影響?電池的SOC分為100%,80%,60%,40%,20%,0%?0%SOC的電池針刺后,僅在針刺口出現(xiàn)了輕微的鼓脹?但是100%SOC電池針刺后,產(chǎn)生了非常多的氣體,整個(gè)電池出現(xiàn)了鼓脹現(xiàn)象?從溫度曲線可以看出,高SOC的電池比低SOC的電池有更高的峰值溫度和更快的升溫速率?因?yàn)樵礁逽OC的電池有更高的能量和更多的活性物質(zhì)參與化學(xué)反應(yīng)?
Mao等人采用18650電池,正極材料98%Li(Ni0.5Co0.2Mn0.3)O2和2%LiMn2O4,負(fù)極材料是天然石墨,2000mAh容量?鋼針直徑3mm,針刺速度30mm/s?對(duì)0%,50%,75%,100%的電池進(jìn)行了針刺測(cè)試?實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn):0%和50%SOC電池沒(méi)有發(fā)生熱失控,75%SOC電池4個(gè)中有3個(gè)發(fā)生了熱失控,而100%SOC的電池全部發(fā)生了熱失控?對(duì)于0%SOC的電池,花了90s達(dá)到最高溫度,50%SOC電池僅花了44s達(dá)到最高值?所以高的SOC會(huì)導(dǎo)致更嚴(yán)重的熱失控反應(yīng)?
所以電池SOC越高,電池在針刺時(shí)內(nèi)短路更加嚴(yán)重,更容易發(fā)生熱失控?
2.5鋼針直徑對(duì)針刺內(nèi)短路的影響
Xu等對(duì)1000mA的鋰電池軟包電池進(jìn)行研究,正極材料是70%鈷酸鋰和30%三元材料,負(fù)極是石墨和氧化硅?鋼針采用不銹鋼針,針刺速度為20mm/s,鋼針直徑為3mm,5mm,8mm?通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn):所有的電池都發(fā)生了熱失控,但是8mm鋼針比3mm鋼針造成電池鼓脹輕微很多,因?yàn)楦值匿撫槍?dǎo)致更大的孔,更容易造成氣體逸出,所以鼓脹不明顯,同時(shí)更大的孔也會(huì)減少爆炸的極限?而在電池升溫速率方面,鋼針直徑越大,其升溫速度越快,因?yàn)楦蟮匿撫槍?dǎo)致了更大的接觸面積,導(dǎo)致了更多的活性物質(zhì)參與內(nèi)短路反應(yīng),所以在熱失控開始前會(huì)有更快的溫升?
3原理分析
針刺導(dǎo)致的內(nèi)短路有多種類型,如上文提到的大部分垂直于極片方向的內(nèi)短路和平行于極片(垂直于18650電池頂部底部刺入)的內(nèi)短路類型等?以下就垂直于極片的內(nèi)短路類型進(jìn)行原理分析總結(jié)?
李宇等人在鋰電池針刺熱失控模型中表示,鋼針刺穿電池后,多個(gè)電極單元被刺破,被刺破的電極單元參與放電,也就是說(shuō)在電池內(nèi)部形成了短路,電子和鋰離子遷移方向如圖5所示?
電池內(nèi)短路產(chǎn)生的熱量來(lái)源于焦耳熱?反應(yīng)熱?極化熱?副反應(yīng)熱?同時(shí)也指出,電池針刺內(nèi)部短路具體情況難以測(cè)量,因?yàn)槭艿诫姵貎?nèi)阻?短路電流等的影響?最后分析了外部宏觀的電壓變化和表面溫度,也就是針刺會(huì)使得電壓下降以及溫度升高?
李啟全等人分析了鋼針刺入電池時(shí)發(fā)生的連續(xù)短路過(guò)程?針尖首先緩慢刺破第一對(duì)電池單元(包含1片正極?1片負(fù)極?1片隔膜)時(shí),形成短路,其他沒(méi)有短路的電池單元都通過(guò)第一個(gè)短路點(diǎn)放電,此時(shí)放電電流很大;當(dāng)刺到第二對(duì)電池單元時(shí),其他沒(méi)有短路的電池單元?jiǎng)t通過(guò)目前兩處短路點(diǎn)放電,此時(shí)電流會(huì)比前一次短路的電流小;隨著針刺深度的增加,短路的電池單元增多,電流逐漸減小?當(dāng)鋼針扎穿電池時(shí),短路點(diǎn)發(fā)生在所有的電池單元之間,短路持續(xù)發(fā)生,短路電流最小?如果針刺速度在大于等于厘米/秒這種數(shù)量級(jí)時(shí),短路電流基本可以認(rèn)為是全部電池單元都通過(guò)各自的短路單元同時(shí)放電;如果速度在小于等于毫米/秒這種較慢速度時(shí),則刺入初始的電池單元的時(shí)候,放電電流最大,瞬間產(chǎn)生的熱量高,溫升快,使得電池SEI膜,正負(fù)極材料,電解液等發(fā)生反應(yīng),最終導(dǎo)致起火?例如實(shí)驗(yàn)時(shí)針尖剛剛刺破電池表面一個(gè)電池單元就停止,此時(shí)短路電流極大,出現(xiàn)起火的可能性很大?但是這個(gè)無(wú)法解釋上文2.2中圓柱形電池在較快速度下隨著針刺深度的加深,電池升溫速度越快,最高溫度逐漸升高的結(jié)論?
Mao等人提出了“糖葫蘆”模型,如圖6所示,可以解釋這一現(xiàn)象?
在該模型中,將一個(gè)個(gè)短路單元通過(guò)鋼針連接,比喻成一個(gè)個(gè)山楂經(jīng)過(guò)竹簽串起來(lái),因此形成了“糖葫蘆”模型?在圓柱形電池中,鋼針以較快的速度形成短路時(shí),產(chǎn)熱通過(guò)短路單元放大n倍,n根據(jù)插入的深度來(lái)計(jì)算,所以針刺產(chǎn)熱量和鋼針針刺的位置沒(méi)有關(guān)系,卻和深度有很大關(guān)系?
該模型適用于圓柱狀卷繞型電池,而對(duì)于軟包電池(層疊結(jié)構(gòu))則不適用,因?yàn)?8650電池采用的是卷芯結(jié)構(gòu),整個(gè)電池內(nèi)部只有一層正負(fù)極和一層隔膜?不會(huì)形成其他微電池單元通過(guò)單個(gè)短路單元放電的情況?
Tokihiko等人則對(duì)軟包層疊電芯進(jìn)行了短路原理分析?鋰電池正極材料是鈷酸鋰,負(fù)極材料是石墨,鋼針?biāo)俣葹?0mm/s,鋼針直徑1mm,鋼針角度是30°?
實(shí)驗(yàn)采用2種電池,分別為20mAh和820mAh電池,如圖7所示?20mAh電池含有7層電極片,4層正極(64mm×6mm),3層負(fù)極(74mm×10mm),共形成了6對(duì)電池單元?800mAh電池含有17層電極片,9層正極(70mm×70mm),8層負(fù)極(74mm×74mm),共形成16對(duì)電池單元?820mAh電池是由800mAh和20mAh電池并聯(lián)堆疊形成,針刺時(shí),鋼針僅刺入20mAh電池?針刺后,20mAh電池沒(méi)有出現(xiàn)熱失控,而并聯(lián)堆疊的820mAh電池中的20mAh電池出現(xiàn)了熱失控,且鎳集流體(連接800mAh和20mAh電池)變紅色?
通過(guò)拆解發(fā)現(xiàn),不同極片層的針孔直徑不一樣,通常在第二層負(fù)極片針孔直徑最大,說(shuō)明在此發(fā)生的內(nèi)短路嚴(yán)重程度最大?鋼針刺入第一個(gè)電池單元會(huì)產(chǎn)生很大的電流,這個(gè)電流包括第一個(gè)短路的電池單元,還包括其他未短路的電池單元對(duì)該短路單元的放電電流?在鋼針造成第二個(gè)電池單元短路時(shí),仍然是第一個(gè)短路單元的電流更大,因?yàn)榻佑|電阻更小(鋼針針尖是圓錐結(jié)構(gòu),即鋼針與第一個(gè)電池單元接觸面積大于鋼針與第二個(gè)電池單元的接觸面積,面積越大,電阻越小)?兩個(gè)短路單元電流流經(jīng)同一個(gè)負(fù)極片,而流經(jīng)正極片的電流被第一二個(gè)短路單元分擔(dān),所以最終導(dǎo)致第二層的銅箔因?yàn)楦邷厝刍?產(chǎn)生很大的洞?之后短路停止,因?yàn)榈诙拥你~箔沒(méi)有接觸鋼針?然后刺穿第三個(gè)電池單元后,又開始了短路?
在該實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)820mAh電池中的20mAh電池的正負(fù)極片孔都會(huì)比單個(gè)20mAh電池的正負(fù)極片孔大,并且820mAh電池中的20mAh發(fā)生了熱失控?原因是800mAh電池在外部持續(xù)給堆疊的20mAh電池放電,形成內(nèi)短路的電流更大,這個(gè)可以從兩個(gè)電池連接的鎳集流體變紅看出,所以產(chǎn)生的熱量更多,最終出現(xiàn)了熱失控?而單個(gè)20mAh電池短路電流很小,所以盡管發(fā)生了內(nèi)短路,但沒(méi)有熱失控?除了對(duì)快速針刺進(jìn)行研究外,Tokihiko等人還對(duì)軟包層疊電芯進(jìn)行了慢速針刺?鋼針采用不銹鋼針,直徑5mm,鋼針角度是30°,針刺速度為3mm/s,每秒前進(jìn)1次,每次前進(jìn)0.2mm?通過(guò)這種精確的控制,可以使得每次針刺前進(jìn)的情況都基本相同,那么測(cè)試結(jié)果也會(huì)有更高的重復(fù)性?
電池正極采用鈷酸鋰,負(fù)極采用石墨?800mAh共17層電極片,9層正極(70mm×70mm),8層負(fù)極(74mm×74mm),共形成16對(duì)電池單元?并聯(lián)堆疊60mAh的電池形成860mAh的電池?60mAh電池共17層,9層正極(70mm×8mm),8層負(fù)極(74mm×10mm),共16對(duì)電池單元?420mAh電池共17層,5層正極片(70mm×8mm),4層正極片(70mm×70mm);3層負(fù)極片(74mm×10mm),5層負(fù)極片(74mm×74mm),共16對(duì)電池單元?
隨后分別對(duì)60mAh電池?420mAh電池和860mAh電池中堆疊的60mAh電池進(jìn)行針刺實(shí)驗(yàn)?60mAh的電池第1層極片分裂成2半,但是并沒(méi)有產(chǎn)生氣體?420mAh的電池,每層極片之間的間距變大了,第1層和第3層的正極片均變成了2片,電池有點(diǎn)鼓,但是沒(méi)有發(fā)生熱失控?并聯(lián)堆疊在860mAh電池中的60mAh電池所有的正極片全部變成了2半,且第1層正極片完全破損了,正極材料也和集流體分離?可以看出,同樣的外部條件,對(duì)于軟包層疊結(jié)構(gòu)的鋰離子電池來(lái)說(shuō),容量越大,能量越大,內(nèi)短路產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)越大,更易造成熱失控?
另外,通過(guò)X射線分析860mAh電池針刺時(shí),發(fā)現(xiàn)鋼針在刺入并形成第一個(gè)短路單元時(shí),鋼針針尖會(huì)發(fā)生熔解,證明此時(shí)產(chǎn)生的溫度將超過(guò)1000℃,也表明了可能會(huì)熔解銅箔,出現(xiàn)電壓先下降再回升的電壓曲線?
4總結(jié)和討論
(1)較快針刺速度(如40mm/s)對(duì)于針刺內(nèi)短路的影響不大?但是速度較慢時(shí),如0.1mm/s時(shí),每次形成短路單元持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),導(dǎo)致放熱量較大,那么其影響和針刺深度對(duì)鋰電池內(nèi)短路的影響相當(dāng)?
(2)對(duì)于圓柱形層壓卷繞式電池來(lái)說(shuō),針刺深度越深,內(nèi)短路的單元越多,產(chǎn)生的熱量越多,電池升溫更快,最高溫度更高,更易發(fā)生熱失控?但是對(duì)于軟包層疊電池來(lái)說(shuō),針刺深度越低,短路點(diǎn)溫度越高,電池更容易發(fā)生熱失控?
(3)針刺位置對(duì)于針刺內(nèi)短路的影響不大?但是考慮到電池不同位置的散熱情況不同(如中心針刺產(chǎn)生的熱量比邊緣針刺的熱量更容易擴(kuò)散到整個(gè)電池),不同位置活性材料總量不同,最后內(nèi)短路后電池溫升?電壓降也會(huì)不同?
(4)電池SOC對(duì)針刺內(nèi)短路會(huì)產(chǎn)生明顯的影響?電池SOC越高,容量越高,則針刺短路時(shí)釋放的熱量越多,更易發(fā)生熱失控?
(5)鋼針直徑對(duì)電池內(nèi)短路影響不大?直徑越大,針刺時(shí)接觸面積越大,短路電阻越小,電池會(huì)產(chǎn)生更快的溫升,但是直徑的增加又會(huì)帶來(lái)熱量傳遞增加,綜合來(lái)看對(duì)熱失控產(chǎn)生的影響不大?
充分利用以上結(jié)論,從測(cè)試條件的角度來(lái)減少內(nèi)短路的產(chǎn)生幾率,減少熱失控帶來(lái)的危害?例如,在電池正常使用過(guò)程中,保持較低的SOC,可以明顯減少內(nèi)短路的影響,從而切斷熱失控的產(chǎn)生,即使產(chǎn)生了熱失控,也可以減少其危害?再比如,在做軟包電池針刺測(cè)試時(shí),使用較快的速度,較細(xì)的鋼針,熔點(diǎn)更低的鋼針進(jìn)行針刺實(shí)驗(yàn),可以有效避免內(nèi)短路產(chǎn)生的熱失控?雖然以上各結(jié)論都是基于其他測(cè)試條件相同的條件下得出的,實(shí)際的生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)中,會(huì)碰到諸多各種不確定的因素,但我們也能利用這些結(jié)論去定性比較針刺結(jié)果,優(yōu)化測(cè)試方案?
值得注意的是,內(nèi)短路發(fā)生后不一定會(huì)引發(fā)熱失控,也就不一定會(huì)產(chǎn)生安全隱患,這取決于內(nèi)短路的嚴(yán)重程度?持續(xù)時(shí)間,材料的穩(wěn)定性,電池的能量?散熱能力等各種其他因素?Zhao等人建模研究分析5Ah電池針刺時(shí)產(chǎn)生的熱量,指出當(dāng)電池內(nèi)阻和短路電阻相當(dāng)時(shí),鋼針和電池接觸界面達(dá)到的溫度是最高的?同時(shí)模擬結(jié)果表明,內(nèi)短路這一過(guò)程對(duì)針刺過(guò)程中的各種參數(shù)如材料的電導(dǎo)率,鋼針和電池的接觸情況等非常敏感,而這些參數(shù)又與短路情況實(shí)時(shí)相關(guān),目前的針刺測(cè)試無(wú)法精確控制這些參數(shù)的值,所以這是導(dǎo)致針刺實(shí)驗(yàn)結(jié)果不可重復(fù)性的主要原因?
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