為了獲得準(zhǔn)確的鋰電池?zé)崾Э貦C(jī)制，需運(yùn)用量熱儀器及相應(yīng)實(shí)驗(yàn)開(kāi)展從鋰電池材料到鋰電池單體及電池組的反應(yīng)熱動(dòng)力學(xué)研究，涉及的主要儀器是絕熱加速量熱儀。

針對(duì)鋰電池安全檢測(cè)，仰儀-泰默自主研發(fā)了絕熱加速量熱儀BAC-90A和BAC-420A，如圖1所示。其中BAC-90A主要針對(duì)鋰電池電解液、粉末狀及小顆粒原材料、紐扣電池、18650圓柱型電池、小型軟包電池的熱失控行為測(cè)試；BAC-420A主要針對(duì)大型鋰電池單體、鋰電池模組的熱失控行為測(cè)試。 BAC-90A和BAC-420A通過(guò)集成熱濫用、電濫用、機(jī)械濫用等功能，模擬鋰電池各種熱失控誘發(fā)因素及最糟糕熱失控環(huán)境(絕熱環(huán)境)，同步采集各種濫用條件下電池電壓、電流、電量、溫度、壓力、時(shí)間數(shù)據(jù)，可直接測(cè)得更加準(zhǔn)確的電池?zé)崾Э仄鹗紲囟?、最大熱失控速率、絕熱溫升等熱行為參數(shù)。

 

定量的熱物性參數(shù)及熱擴(kuò)散特性是開(kāi)展鋰電池熱散失及鋰電池模組間熱傳播數(shù)值研究的基礎(chǔ)。而由于鋰電池本身的材料種類(lèi)多樣性、新穎性及結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，且其熱物性缺乏文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，使得開(kāi)展鋰電池單體或鋰電池組傳熱建模主要依靠研究人員經(jīng)驗(yàn)，可信度不高。針對(duì)這一情況，泰默-仰儀基于主動(dòng)熱成像技術(shù)開(kāi)展了熱物性測(cè)試技術(shù)和裝置的研制，其基本原理如圖2所示?？稍诓徊鸾?、不破壞試樣，不允許制樣的條件下實(shí)現(xiàn)形狀不規(guī)則樣品各向異性的熱物性檢測(cè)。涉及的儀器包括導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀、電池模組熱阻測(cè)試儀、熱擴(kuò)散測(cè)試儀等。

 

軟包電芯、硬殼鋰電池導(dǎo)熱系數(shù)是反映鋰電池?zé)釘U(kuò)散能力的重要參數(shù)之一。泰默-仰儀基于主動(dòng)紅外熱成像技術(shù)，對(duì)熱成像數(shù)據(jù)分析及傳熱反演，實(shí)現(xiàn)鋰電池導(dǎo)熱系數(shù)精確測(cè)量，

電池模組熱阻測(cè)試是評(píng)價(jià)電池?zé)釘U(kuò)散和熱傳播的重要參數(shù)，也是電池生產(chǎn)廠(chǎng)家及電動(dòng)汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)評(píng)價(jià)電池模組散熱能力的質(zhì)控參數(shù)之一。泰默-仰儀基于傳熱反演技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)電池模組熱阻的空間分布分析和定量評(píng)估，如圖4所示。

 

鋰電池單體或鋰電池組的熱擴(kuò)散試驗(yàn)可直觀的反應(yīng)鋰電池的熱擴(kuò)散能力。熱擴(kuò)散試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)主要通過(guò)主動(dòng)加熱和針刺兩種方式觸發(fā)熱失控，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電壓及溫度數(shù)據(jù)，為鋰電池?zé)岱€(wěn)定性評(píng)估提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。加熱是在給定固定功率的情況下通過(guò)加熱棒或柔性加熱器插入、緊靠、環(huán)抱電池單體或電池組進(jìn)行；針刺是通過(guò)電機(jī)調(diào)整鋼針位置和方向?qū)﹄姵貑误w或電池組進(jìn)行穿刺；電壓監(jiān)測(cè)和溫度采集則是通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊完成，通過(guò)電壓閾值比較和溫度數(shù)據(jù)求導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)熱失控條件判定；同時(shí)通過(guò)高速攝像機(jī)記錄熱失控全過(guò)程影像信息，抓取熱失控觸發(fā)開(kāi)啟、熱失控觸發(fā)停止、外部煙、火、爆炸等關(guān)鍵事件照片，生成熱擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)報(bào)告。本裝置對(duì)鋰電池安全性檢測(cè)、科學(xué)問(wèn)題研究、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)以及事故調(diào)查分析具有重要技術(shù)支撐作用。測(cè)試系統(tǒng)針刺、加熱、測(cè)溫布置示意圖如圖5和6所示。針刺觸發(fā)時(shí)，溫度傳感器的位置應(yīng)盡可能接近短路點(diǎn)。高能量密度的鋰離子電池價(jià)格昂貴，主要是因?yàn)楫?dāng)電池不斷充電時(shí)，電池材料會(huì)發(fā)生降解，其所釋放的能量會(huì)讓電池溫度升高，使電池著火，產(chǎn)生安全問(wèn)題。在電池不斷充電和再充電過(guò)程中，氧氣會(huì)從電池材料表面釋放出來(lái)。在此過(guò)程中，鋰離子從內(nèi)部到外部的運(yùn)輸通道可能會(huì)被隨氧氣釋放產(chǎn)生的金屬鎳粉塵堵塞。當(dāng)運(yùn)輸通道被堵塞時(shí)，想要進(jìn)出電池內(nèi)外的鋰離子將無(wú)法轉(zhuǎn)移，從而導(dǎo)致電池容量快速下降。隨著熱量的增加，電池起火和爆炸的可能性也會(huì)增加。

 

德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在電池正極表面添加一層經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的氧化物涂層，既可以解決電池過(guò)熱問(wèn)題，也可以將電池容量提高20%至30%，改造后的電池可以耐受更長(zhǎng)的充電時(shí)間。

 

基于上述熱失控問(wèn)題的新發(fā)現(xiàn)，該研究團(tuán)隊(duì)已開(kāi)始研發(fā)用于電動(dòng)汽車(chē)的新型電池正極材料，以解決鋰離子運(yùn)輸通道的堵塞問(wèn)題，同時(shí)與美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室合作，進(jìn)一步研究提高電池正極材料的富鋰容量和電池安全性問(wèn)題。