什么是熱失控？從濫用到熱失控電芯到底經(jīng)歷了什么？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-04-09 09:08
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中國已經(jīng)將發(fā)展高能量密度的鋰離子電池作為國家策略，十一五重點發(fā)展了磷酸鐵鋰正極鋰離子電池，十二五重點發(fā)展了三元正極鋰離子電池，十三五正在重點研發(fā)高鎳三元正極+硅碳負極鋰離子電池，高能量密度材料的應用在提高電芯能量密度的同時，也降低了電芯自身的熱穩(wěn)定性，使之更易導致安全問題，比如熱失控，外界表現(xiàn)就是冒煙、起火和爆炸。常見導致電芯熱失控的濫用情況有機械濫用、電氣濫用和熱濫用。這幾種觸發(fā)方式應該比較容易理解，但對于它們觸發(fā)熱失控的機理以及在熱失控過程中的關鍵性特征，你知道多少呢？今天，本文帶大家梳理從濫用情況到電芯熱失控的關鍵過程。
圖1純電動汽車用鋰離子電池發(fā)展路線圖
電芯的濫用情況可進一步細分，機械濫用分為擠壓和針刺，電氣濫用分為過充和過放，熱濫用的特征在于外部高溫，三種濫用之間即相互獨立又緊密相連，機械濫用可以觸發(fā)短路，這是電氣濫用的一個常見特征，而短路釋放熱量，引發(fā)熱濫用狀態(tài)。在熱濫用條件下，電池被加熱到極端溫度，然后發(fā)生熱失控。
一、鋰離子電池的機械濫用—擠壓和針刺
在汽車碰撞的過程中，電池組發(fā)生變形，電芯相互擠壓致隔膜破裂，內(nèi)部短路發(fā)生，電池的電能將在短時間內(nèi)連續(xù)釋放，電池的溫度通過吸收短路產(chǎn)生的熱量而上升，溫度上升直到電池能量完全釋放完停止，過高的溫度極易點燃泄露的可燃電解液，發(fā)生起火和爆炸，與擠壓相比，針刺也可能源于車輛的碰撞，但在針刺開始的時刻就可以瞬間觸發(fā)鋰電池的內(nèi)短路，當電池溫度達到閾值時（120℃），電池發(fā)生副反應溫度進一步加速上升發(fā)生熱失控。
二、鋰離子電池的電氣濫用—過充和過放
圖3 鋰離子電池過充電內(nèi)部短路機理
過度充電導致的熱失控比其他的濫用情況更加苛刻。電池管理系統(tǒng)(BMS)在上電壓限制前停止充電過程的失敗是造成過度充電的常見原因。電池內(nèi)部的不一致決定了電壓最高的電池是第一個被過充電的電池，其次是其他電池。在過充電過程中石墨陽極充滿嵌鋰之后，金屬鋰開始沉積在陽極表面形成鋰枝晶，而隨著金屬鋰的不斷沉積，鋰枝晶在塌陷中不斷生長，最終刺穿隔膜發(fā)生內(nèi)短路，電芯熱失控。
圖4過放條件下銅的溶解和沉積導致內(nèi)短路的機理
過度放電是另一種可能的濫用電氣的情況。一般來說，電池組內(nèi)的電壓不一致是不可避免的。因此，一旦BMS沒能監(jiān)測任何單個電芯的電壓，最低電壓的電池就會被過度放電。在過放電過程中陽極的形態(tài)發(fā)生了變化，過度放電導致了銅集流體的溶解。溶解的銅遷移并沉積在陽極表面，最終導致內(nèi)短路和容量降低。
三、鋰離子電池的熱濫用
圖5內(nèi)短路造成熱失控
在電池組中，局部過熱是可能發(fā)生的典型的熱濫用狀態(tài)。除了由機械/電氣引起的過熱現(xiàn)象外，過熱也可能是由于電芯連接器的接觸造成的。電芯的隔膜是一層塑料材料，材質(zhì)主要為PE和PP，它把電池的正負極隔開，只允許電解液中的鋰離子通過。當電芯處于高溫環(huán)境中時，溫度經(jīng)外殼傳導至隔膜，隔膜受熱收縮和破裂，電池正負極內(nèi)短路，從而發(fā)生熱失控。
電池的濫用情況各種各樣，各個濫用情況造成的熱失控機理各有不同，但是它們都有一個顯著的特征那就是內(nèi)短路，內(nèi)短路的發(fā)生使電池自身的電能在短時間內(nèi)轉換為熱量，促使電池溫度急劇升高，達到電池內(nèi)部副反應的起始溫度，從而發(fā)生熱失控，電池內(nèi)短路的精確預測將會是以后電池熱失控的控制以及預測的關鍵點。
