熱失控主要是由于內(nèi)短路、外短路導(dǎo)致短時間內(nèi)在鋰離子電池內(nèi)部產(chǎn)生大量的熱量，引發(fā)了正負極活性物質(zhì)和電解液的分解，導(dǎo)致鋰離子電池起火和爆炸。不同種類的電池材料熱穩(wěn)定性不同，在熱失控中產(chǎn)熱也不相同，下圖為鋰離子電池內(nèi)部常見材料的DSC測試結(jié)果，首先我們以左下角的Li4Ti5O12材料為例介紹這張圖的看圖方法，首先我們看到圖中LTO的Q表示LTO材料的放熱速率，H表示LTO總的放熱量，從左到右的三個溫度分別為Tonset觸發(fā)溫度，Tpeak峰值溫度，Tend最終溫度，也就是說下圖中越靠近右下角的材料熱穩(wěn)定性越好，產(chǎn)熱越少，自身“彩色塊”高度越低則產(chǎn)熱功率越小，這張圖片讓我們更加生動的看到常見的鋰離子電池材料的熱穩(wěn)定性，從而為我們在鋰離子電池設(shè)計中提供一些參考。

 

 

雖然針對鋰離子電池材料的熱穩(wěn)定的研究很多，但是針對全電池?zé)岱€(wěn)定性的研究卻并不多，近日清華大學(xué)的何向明課題組利用加速量熱法ARC和差示掃描量熱法DSC對采用不同材料的鋰離子電池在熱失控中的熱量來源進行了研究。實驗中共對4種類型的鋰離子電池進行了研究，4種電池的信息如下表所示。

 

四種電池在加速量熱法ARC測試中溫度、電壓和內(nèi)阻的變化如下圖所示（所有的電池在測試之前均充電到100%SoC）。首先，我們來看一下第1種電池，從下圖a中我們可以看到該電池在100℃時電池開始自發(fā)熱，在247℃時電池發(fā)生熱失控，溫度突然升高到866.3℃。和向明團隊將整個熱失控過程分為四個部分：

        i.           第1階段從100℃開始，并在134.8℃結(jié)束，在此過程中SEI膜的分解和正極材料的自放電是主要的熱量來源。

       ii.           第2階段是從134.8℃開始，173.4℃結(jié)束。在此過程中隔膜開始破壞，電池電壓開始下降，電池的溫度升高速率明顯加速，并在173.4℃時最終發(fā)生內(nèi)短路，電壓下降到0V，該過程中內(nèi)短路是主要的熱量來源。

     iii.           第3階段從173.4℃開始，247℃結(jié)束，最終引發(fā)熱失控。此過程正負極材料的分解是主要的熱量來源。

     iv.           第4階段從247℃開始，在886.3℃結(jié)束，電池的熱失控主要發(fā)生在這一階段。在此階段，正負極材料與電解液之間的反應(yīng)也被觸發(fā)，導(dǎo)致電池產(chǎn)生更多的熱量。

對于第2種電池，電池從100℃開始自發(fā)熱，在208.8℃時發(fā)生熱失控，并最終達到367.8℃。該電池的熱失控同樣被分為四個階段，如下所示。

        i.           第1階段，從100℃開始，155.7℃結(jié)束，此過程中SEI膜的分解和正極的自放電是主要的熱量來源。

       ii.           第2階段從155.7℃開始，在170.3℃結(jié)束，這一階段的熱量來源主要是負極與電解液的反應(yīng)。

     iii.           第3階段從170.3℃開始，在212℃結(jié)束，此階段中，隔膜開始收縮，電壓開始下降。這一階段的主要熱量來源為內(nèi)短路和負極的放熱反應(yīng)。

    iv.      第4階段從212.4℃開始，在367.9℃結(jié)束。此階段中隔膜被破壞，導(dǎo)致嚴重的內(nèi)短路，電池溫度快速攀升，同時根據(jù)正負極的DSC測試數(shù)據(jù)，可以判斷LFP正極和MCMB負極在此階段也放出了大量的熱量。

 

第3種電池在85℃開始自發(fā)熱，并在190.6℃發(fā)生了熱失控，最高溫度達到了634.6℃。第3種電池的反應(yīng)被分為了兩個階段，如下所示。

        i.           第1階段從85℃開始，在190.6℃結(jié)束。第3種電池的負極從85攝℃開始發(fā)生放熱反應(yīng)，這要比第1和第2種電池要低的多，同時由于隔膜表面沒有涂層，隔膜開始融化后很快就導(dǎo)致了嚴重的內(nèi)短路的發(fā)生。

       ii.           第2階段從190.6℃開始，最終電池達到634.6℃，在這一階段中電池?zé)崃恐饕獊碜哉龢O、負極與電解液之間的反應(yīng)。

第4種電池在116.5℃開始自發(fā)熱，電池在熱失控中的最高溫度達到215.5℃，整個過程也可以被分為兩個過程。

        i.           第1階段從116.5℃開始，192.8℃結(jié)束，在此過程中熱量主要來自正負極材料與電解液之間的反應(yīng)。

       ii.           第2階段從192.8℃開始，在215.5℃結(jié)束，在此過程中電池的溫升速率明顯持續(xù)下降，說明此時正負極的分解在此階段逐漸停止。

由于DSC的測試表明涂層隔膜的破壞溫度達到290℃，因此第4種電池在ARC測試中不會發(fā)生內(nèi)短路，因此第4種電池在測試中熱量主要來自正負極材料與電解液之間的反應(yīng)。