如何避免/控制電池的熱失控？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-10-19 20:46
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到目前為止，鋰離子電池的基本設(shè)計(jì)仍與索尼1989年的專利申請(qǐng)相同。單體形狀包括圓柱體、方形金屬殼（鋁/鋼）和方形軟袋。圓筒電池最初用于筆記本電腦，現(xiàn)在特斯拉和其他公司選擇的18650圓筒電池用于電動(dòng)汽車。一般來說，方形電池的容量很大。電池采用纏繞、Z形層壓、纏繞+層壓、正涂層壓、層壓+纏繞等工藝制造，圓柱形電池技術(shù)最成熟，制造成本較低，但大型圓柱形電池散熱能力差，一般選用小型圓柱形電池。汽車電池組容量大，電池?cái)?shù)量多，管理系統(tǒng)復(fù)雜，價(jià)格昂貴。方形電池中的繞組結(jié)構(gòu)電池制造工藝簡(jiǎn)單，但主要適用于軟電極電池。除尖晶石正極材料外，該方法還可用于磷酸鐵鋰電池和三元電池。該電池可靠性高，使用壽命長(zhǎng)，適用于各種材料系統(tǒng)。通用伏特插電式混合動(dòng)力汽車和日產(chǎn)聆風(fēng)純電動(dòng)汽車的電池采用層壓工藝制造。2015，磷酸鐵鋰單體電池的比能將達(dá)到140W·h/kg，三元材料混合的鋰錳氧化物單體電池的比能將達(dá)到180W·h/kg，世界上使用NCA的小型圓柱形電池的比能將達(dá)到240W·h/kg。未來幾年，鋰離子單體電池的比能將進(jìn)一步提高，預(yù)計(jì)最大可達(dá)300 W·H/kg 2020。
三。電池系統(tǒng)技術(shù)
從商業(yè)化的鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)來看，其核心技術(shù)包括電池組技術(shù)（集成電池組、熱管理、碰撞安全、電氣安全等）、電池管理系統(tǒng)（BMS）電磁兼容技術(shù)，精確的信號(hào)測(cè)量（如單體電壓、電流等）、精確的電池狀態(tài)估計(jì)、電池平衡控制技術(shù)等。
BMS和電池系統(tǒng)的其他關(guān)鍵部件，包括傳感器、控制器、執(zhí)行器和其他部件，基本上被汽車電子技術(shù)強(qiáng)國(guó)（德國(guó)、日本、美國(guó)）壟斷。目前，國(guó)內(nèi)一些企業(yè)已經(jīng)成功研制出智能儀表，可以替代國(guó)外的電流、電壓、絕緣傳感器。影響電動(dòng)汽車推廣應(yīng)用的主要因素是鋰離子動(dòng)力電池的安全性和使用成本。除了進(jìn)一步提高電池本身的安全性、壽命和一致性外，電池模塊化技術(shù)和電池組技術(shù)（集成電池分配、熱管理、碰撞安全、電氣安全等）也與國(guó)外有很大差距。目前，國(guó)際汽車企業(yè)的電池組技術(shù)比較成熟。國(guó)內(nèi)研究單位對(duì)bms電磁兼容技術(shù)、精確信號(hào)測(cè)量技術(shù)、精確電池狀態(tài)估計(jì)、電池平衡控制技術(shù)等進(jìn)行了深入研究。
電池電量管理關(guān)鍵技術(shù)的研究與開發(fā)包括電池電化學(xué)模型集成、電氣安全設(shè)計(jì)、電池狀態(tài)估計(jì)、平衡管理、故障診斷與校準(zhǔn)、充電管理等。電池?zé)峁芾黻P(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)的研究與開發(fā)，應(yīng)以電池組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電池產(chǎn)熱量的計(jì)算分析為基礎(chǔ)，研究不同熱管理技術(shù)的散熱效果，得出散熱方案。電池?zé)峁芾沓杀镜?，工藝?jiǎn)單，安全可靠。為了減輕蓄電池結(jié)構(gòu)的重量，應(yīng)以蓄電池系統(tǒng)與整車的相關(guān)結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，并考慮它們之間的耦合特性。結(jié)構(gòu)抗振、抗沖擊、輕量化一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)研究應(yīng)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化和材料選擇兩個(gè)方面進(jìn)行。優(yōu)化零部件、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、連接等設(shè)計(jì)方案。在電池安全方面，有必要在電氣安全、機(jī)械安全等基礎(chǔ)上進(jìn)行電池系統(tǒng)安全總體方案設(shè)計(jì)研究。
判斷電池好壞最直觀的方法是拆卸隔膜。如果沒有污漬，這樣的電池比拆卸后有很多污漬的電池要好得多。
在每個(gè)電池的充電過程中，有一個(gè)邊界條件（溫度、電流、電壓）用于鋰的分析。在不同的溫度和不同的時(shí)間下，充電的電流邊界條件比邊界條件要高，這是非常危險(xiǎn)的。事實(shí)上，動(dòng)力電池企業(yè)對(duì)這些問題非常清楚，但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，很多世界一線品牌廠商都會(huì)忽略這些問題，造成很大的安全隱患。
此外，何向明表示，目前國(guó)內(nèi)電池隔膜存在缺陷，這是嚴(yán)重的。如果在正負(fù)極期間存在非常大的阻抗，當(dāng)阻抗很大時(shí)，鋰電池從正極切換到負(fù)極時(shí)會(huì)形成一個(gè)點(diǎn)，多余的鋰離子會(huì)被分離出來，這會(huì)發(fā)生在家用隔膜中。如果點(diǎn)上的孔不好，或孔位堵塞，這是隔膜摩擦造成的隱患。
此外，在電池的充放電過程中，正負(fù)極也有沉積效應(yīng)。沉積效應(yīng)循環(huán)一定程度后會(huì)引起短路，電池會(huì)爆炸。很多電池事故，何向明認(rèn)為可能是這個(gè)原因，所以在電池設(shè)計(jì)中，一定要考慮這個(gè)因素。
如何避免/控制電池的熱失控？
確定了熱失控過程的關(guān)鍵參數(shù)，建立了與熱失控過程演化的“科學(xué)”聯(lián)系。
熱失控演化
同時(shí)，何向明也表示，電池能量越高，就越不安全。這種說法沒有科學(xué)依據(jù)。他說，電池?zé)岱€(wěn)定性的安全與制造商有關(guān)，而與材料無關(guān)。”也就是說，一些企業(yè)的三元材料電池比一些企業(yè)的磷酸鐵電池安全得多。我有這項(xiàng)聲明的數(shù)據(jù)，但我已經(jīng)與其他人簽署了保密協(xié)議，這是不容易公開說的。”
清華大學(xué)何向明：如何避免/控制電池的熱失控？
熱失控的根本原因是電池的熱失控過程是一個(gè)“鏈?zhǔn)?rdquo;放熱反應(yīng)。解決辦法是減少放熱反應(yīng)，切斷“鏈?zhǔn)?rdquo;放熱反應(yīng)。對(duì)策包括：減少內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的放熱，減少內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的放熱，提高化學(xué)反應(yīng)的溫度，降低電池的溫升速率，增強(qiáng)電池的外部散熱等。換一個(gè)，電池就更安全了。
