在特斯拉的引領(lǐng)下，18650電池在電動汽車中已經(jīng)成為了一股重要的勢力，眾多品牌的電動汽車都采用了18650電池。相比于軟包和方形電池，18650電池經(jīng)過二十多年的發(fā)展，不僅技術(shù)成熟，配套廠家眾多，同時作為一種標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，其良品率要顯著高于其他形式的電池，因此18650電池在成本、可靠性上都比其他類型電池具有優(yōu)勢。但是采用18650電池做動力電池包就不得不面臨一個問題——電池包內(nèi)電池數(shù)量龐大，我們以特斯拉早期的電池包為例，整個電池包內(nèi)的18650電池數(shù)量達(dá)到7000只左右，因此對熱管理系統(tǒng)提出了巨大挑戰(zhàn)。

 

 

熱管理系統(tǒng)的一個重要的功能就是防止電池組內(nèi)單體電池?zé)崾Э睾蜔崾Э氐穆?，這就需要我們掌握單體電池的熱失控中釋放的總熱量和電池噴發(fā)釋放的熱量的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。近日，美國NASA旗下的約翰遜航空中心（JSC）的William Q. Walker（第一作者，通訊作者）采用一種特殊設(shè)計的量熱器對不同廠家、不同型號的18650鋰離子電池在熱失控中熱量釋放數(shù)據(jù)進行了測量，研究顯示電池的能量密度和電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計都對鋰離子電池的熱失控行為具有顯著的影響。

 

傳統(tǒng)的量熱裝置只能夠測量電池在熱失控中釋放出的總熱量，但是這無法滿足熱管理系統(tǒng)對熱失控數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的要求，因此William Q. Walker設(shè)計了一種量熱裝置（如下圖所示），不但能夠?qū)?a href="http://www.pdszhhs.com">鋰離子電池在熱失控過程中釋放的總熱量進行測量，還能夠測量電池噴發(fā)物所釋放的熱量。該量熱器的結(jié)構(gòu)如下圖所示，特殊的設(shè)計能夠滿足只有頂部防爆閥的18650電池，以及底部和頂部都有防爆閥的18650電池的熱失控測量。

 

實驗中測試的電池詳細(xì)信息如下圖所示，主要包含了LG18650-MJ1（3.43Ah）、LG 18650 test cell（3.35Ah）、三星18650-30Q（3.0Ah）和MoLiCEL18650-J（2.3Ah），其中MoLiCEL的電池分別采用了三種隔膜：1）20um厚的標(biāo)準(zhǔn)聚合物隔膜；2）25um厚的纖維素基Dreamweaver Silver隔膜；3）21um厚的纖維素基Dreamweaver Gold隔膜。LG18650 test cell部分電池采用帶有底部防爆閥（BV）設(shè)計的殼體結(jié)構(gòu)，部分電池還內(nèi)置了短路裝置（ISC），部分電池則采用了不同厚度的外殼（CT），其中部分采用了250um厚的標(biāo)準(zhǔn)殼，部分則采用了更薄的225um殼。

 

下圖為幾種電池在熱失控中每次實驗釋放的能量與平均值之間的偏差關(guān)系（每種電池都進行了多次實驗），從圖中我們能夠看到MOLiCEL的18650電池釋放的能量為37.4kJ，標(biāo)準(zhǔn)差為2.8kJ，三星18650-30Q電池釋放的能量為59.7kJ，標(biāo)準(zhǔn)差為3.5kJ，LG的18650 test cell釋放能量為63.3kJ，標(biāo)準(zhǔn)差為4.6kJ，LG的18650 MJ1電池釋放的能量為75.2kJ，標(biāo)準(zhǔn)差為6.6kJ。不難看出，電池的容量越高在熱失控中釋放出的能量也就越多，并且隨著電池能量密度的提高，單位容量釋放的能量也就越多，能量密度最低的MOLiCEL電池每Ah釋放的能量僅為15.8kJ，而能量密度最高的LG 3.5Ah電池每Ah釋放的能量則高達(dá)21.45kJ。

 

下圖為采用普通標(biāo)準(zhǔn)聚合物隔膜S1的MOLiCEL電池和采用纖維素隔膜S2的MOLiCEL電池的熱失控曲線，從圖中能夠看到采用普通隔膜的電池在熱失控中釋放的能量要比纖維素隔膜少3.4kJ，當(dāng)然這并不是說普通隔膜更為安全，這主要是因為纖維素隔膜的熱穩(wěn)定溫度可以達(dá)到190℃以上，而普通聚合物隔膜的熱穩(wěn)定溫度往往在150℃左右，這就導(dǎo)致采用纖維素隔膜的電池在觸發(fā)熱失控時需要更高的溫度，從而引起電池在熱失控中釋放更多熱量。

 

電池殼體厚度對于鋰離子電池的熱失控行為也有顯著的影響，首先是從熱失控的觸發(fā)難度上，從測試結(jié)果來看殼體厚度為250um厚的18650電池需要更多的熱量才能出發(fā)熱失控（250um厚18650電池加熱時間為107.2s，220um厚18650電池需要加熱88.1s），同時厚殼的電池在熱失控中釋放的能量也要比普通殼的電池少3.4kJ，但是在熱失控后電池剩余重量方面厚殼電池要比薄殼電池少1.3g，這可能是因為較厚的殼體導(dǎo)致電池內(nèi)部積聚了更大的壓力。

 

底部防爆閥設(shè)計也能夠顯著的改變鋰離子電池的熱失控中行為，從上圖中的兩條黑色虛線我們能夠注意到具有底部防爆閥設(shè)計的18650電池在熱失控中釋放的熱量要比沒有底部防爆閥設(shè)計的電池少3.9kJ，同時熱失控后我們稱量電池殘骸質(zhì)量能夠發(fā)現(xiàn)，具有底部防爆閥設(shè)計的電池比普通電池質(zhì)量重6.5g，表明具有底部防爆閥設(shè)計的電池在熱失控中被噴出的物質(zhì)要明顯少于普通電池，這能夠顯著的減少電池組內(nèi)熱失控擴散的風(fēng)險。