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來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-07-30 10:15
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正常情況下過(guò)壓、過(guò)流、高溫、低壓等危機(jī)現(xiàn)象，電池的保護(hù)系統(tǒng)利用熔斷機(jī)制斷開(kāi)電路或其他方法來(lái)阻止。如果沒(méi)能阻止電池高溫起火，那就屬于熱失控。熱失控可以理解為鋰電池的電流和溫度都升高且互相促進(jìn)，隨著積累增強(qiáng)作用并逐步損壞的一種現(xiàn)象。既然是失控肯定有管理系統(tǒng)，電池都有一套BMS電池管理系統(tǒng)，俗稱之為電池保姆或電池管家；電池管理系統(tǒng)（BMS）主要就是為了智能化管理及維護(hù)各個(gè)電池單元，防止電池出現(xiàn)過(guò)充電和過(guò)放電，延長(zhǎng)電池的使用壽命，監(jiān)控電池的狀態(tài)。鋰離子電池?zé)崾Э卦从诋a(chǎn)熱速率遠(yuǎn)高于散熱速率，大量的熱量在鋰離子電池內(nèi)部積累，引起鋰離子電池溫度的快速升高，導(dǎo)致隔膜收縮、熔化，正負(fù)極活性物質(zhì)分解等自發(fā)的放熱反應(yīng)，引起鋰離子電池起火和爆炸。避免熱失控發(fā)生是無(wú)數(shù)的鋰離子電池設(shè)計(jì)者們追求的終極目標(biāo)，然而要達(dá)到這一目標(biāo)，首先需要對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э剡^(guò)程的反應(yīng)歷程有清晰和全面的認(rèn)識(shí)，但是鋰離子電池的密封結(jié)構(gòu)是阻礙我們的第一道關(guān)卡，全密封的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)讓鋰離子電池內(nèi)部反應(yīng)的觀測(cè)變的非常困難。其次，熱失控中的高溫是阻礙我們的第二道關(guān)卡，上千度的高溫將可能留存的證據(jù)焚燒殆盡。最后，熱失控的高速度是阻礙我們的第三道關(guān)卡，熱失控中鋰離子發(fā)生爆炸的時(shí)間往往不足0.01s，這也讓跟蹤其中的反應(yīng)過(guò)程變的尤為的困難
首先我們來(lái)看第一道關(guān)卡，鋰離子電池一般采用方形、圓柱形硬殼密封結(jié)構(gòu)或者軟包密封結(jié)構(gòu)，共同特點(diǎn)是外部的探測(cè)設(shè)備很難進(jìn)入到鋰離子電池內(nèi)部，因此要實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰離子電池在熱失控中內(nèi)部反應(yīng)的跟蹤，首先要解決這一問(wèn)題。解決這一問(wèn)題的思路有兩個(gè)：
一、內(nèi)部植入。我們可以在鋰離子電池內(nèi)部置入熱電偶，實(shí)時(shí)跟蹤熱失控中鋰離子電池內(nèi)部溫度變化，我們也可以通過(guò)在鋰離子電池內(nèi)部置入FBG纖維檢測(cè)器的方式對(duì)鋰離子電池在熱失控中的溫度和壓力變化進(jìn)行跟蹤分析，這也是目前應(yīng)用比較廣泛的方式。
二、透視技術(shù)。鋰離子電池的密封結(jié)構(gòu)雖然能夠阻擋可見(jiàn)光，但是對(duì)于高能射線技術(shù)卻無(wú)法阻擋，因此采用高能射線和粒子對(duì)鋰離子電池在熱失控中的行為進(jìn)行跟蹤也是一種非常有效的方法，例如我們之前就曾經(jīng)介紹過(guò)倫敦城市學(xué)院的DonalP.Finegan等人就通過(guò)高速的X射線攝影裝置對(duì)鋰離子電池在熱失控中的內(nèi)部反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了全面的跟蹤，揭示了在熱失控過(guò)程中18650電池的防爆閥的工作原理。中子不帶電荷，因此穿透能力非常強(qiáng)，近年來(lái)也廣泛的被用于鋰離子電池內(nèi)部反應(yīng)機(jī)理的研究，例如德國(guó)博世公司的工程師們就利用中子衍射技術(shù)對(duì)電解液在鋰離子電池內(nèi)部的浸潤(rùn)的過(guò)程進(jìn)行了跟蹤和研究，通過(guò)中子衍射技術(shù)我們“直接看到”了電解液在鋰離子電池電芯中的浸潤(rùn)過(guò)程，因此中子衍射技術(shù)也非常有潛力應(yīng)用在鋰離子電池?zé)崾Э剡^(guò)程的研究中。
鋰離子電池?zé)崾Э貢r(shí)，儲(chǔ)存在鋰離子電池內(nèi)部的化學(xué)能在短時(shí)間內(nèi)大量的釋放，產(chǎn)熱速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋰離子電池的散熱速率，因此導(dǎo)致鋰離子電池在短時(shí)間內(nèi)溫度快速升高，研究表明鋰離子電池在熱失控中溫度可達(dá)1000℃以上，這甚至?xí)囯x子電池內(nèi)部的銅箔熔化(Cu的熔點(diǎn)為1085℃)，極端的高溫將所有可能留存的證據(jù)全部付之一炬，因此我們很難從熱失控后的鋰離子電池殘骸推斷熱失控的原因。極速冷卻可以有效的解決這一問(wèn)題，例如之前我們?cè)?jīng)報(bào)道過(guò)清華大學(xué)的歐陽(yáng)明高教授將熱失控中的電池放入液氮之中，為鋰離子電池快速降溫，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)“第一案發(fā)現(xiàn)場(chǎng)”的證據(jù)固定，這也幫助歐陽(yáng)教授發(fā)現(xiàn)即便是在隔膜沒(méi)有發(fā)生熔化和收縮的情況下，鋰離子電池仍然可能通過(guò)O2在正負(fù)極之間的“穿梭”導(dǎo)致鋰離子電池?zé)崾Э?，這也為熱失控的研究開(kāi)了一扇嶄新的大門。
鋰離子電池在熱失控中反應(yīng)速度非?？?，特別是在熱失控發(fā)生爆炸時(shí)，反應(yīng)時(shí)間往往小于0.01s，這也導(dǎo)致大多數(shù)的手段往往由于時(shí)間精度不夠引起觀測(cè)的不準(zhǔn)確，為了解決這一問(wèn)題，X射線高速攝影技術(shù)隆重出場(chǎng)，DonalP.Finegan等人為了研究在針刺實(shí)驗(yàn)中鋰離子電池內(nèi)部的反應(yīng)過(guò)程，采用的X射線高速攝影技術(shù)的幀率就達(dá)到了2000fps(分辨率10um)和5130fps(分辨率20um)，在如此高的幀率下我們能夠基本清楚的看到熱失控的全部反應(yīng)歷程，但是即便是如此高的幀率仍然難以拍攝到鋰離子電池的爆炸瞬間的反應(yīng)過(guò)程(時(shí)間往往小于0.01s)，這就需要同步輻射技術(shù)登場(chǎng)了。同步輻射光源的強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通的X射線，因此能夠?qū)崿F(xiàn)更短的曝光時(shí)間，歐洲同步輻射中心通過(guò)同步輻射光源使得曝光的幀率達(dá)到了驚人的每秒數(shù)百萬(wàn)幀，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)玻璃破碎、起弧等過(guò)程進(jìn)的觀測(cè)。在同步輻射技術(shù)的幫助下，DonalP.Finegan成功的對(duì)18650電池爆炸瞬間進(jìn)行了觀測(cè)，X射線拍攝速度更是達(dá)到了20272幀/秒，成功的觀察到了在爆炸過(guò)程中18650電池的防爆閥是如何工作的。
