動(dòng)力
電池產(chǎn)品關(guān)乎用戶(hù)的生命安全,其安全設(shè)計(jì)和要求在整個(gè)
電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)中處于最高優(yōu)先級(jí)。這需要選擇合適的電池材料、優(yōu)化單體電池設(shè)計(jì)、強(qiáng)化模組和系統(tǒng)的電氣安全設(shè)計(jì)、應(yīng)用FMEA工具綜合考慮/分析各種安全失效模式和應(yīng)對(duì)措施,從而設(shè)計(jì)出高性能、高安全的動(dòng)力電池產(chǎn)品。
圖1電池安全和濫用測(cè)試項(xiàng)目
動(dòng)力電池的安全性是新能源汽車(chē)發(fā)展中備受關(guān)注的熱點(diǎn),圖1是TUV的關(guān)于動(dòng)力電池安全方面測(cè)試項(xiàng)目,大致分為安全測(cè)試(Safety Testing)和濫用測(cè)試(Abuse Testing)。
其中擠壓(crush)測(cè)試和針刺(nail penetration)測(cè)試屬于濫用測(cè)試。這兩項(xiàng)測(cè)試對(duì)電池的破壞性很大。擠壓是直接對(duì)電池施加外部機(jī)械力,迫使電池發(fā)生形變,從而造成電池內(nèi)部各部分的機(jī)械變形,產(chǎn)生外部?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)組織破壞(例如隔膜斷裂、刺穿),產(chǎn)生內(nèi)部短路,促發(fā)可能的熱失控。
針刺是外部金屬異物直接刺入電池內(nèi)部,刺穿電池內(nèi)部組分,同樣造成內(nèi)部短路,促發(fā)可能的熱失控。這里通過(guò)一些例子來(lái)看一下這兩個(gè)測(cè)試。
圖2 LFP 50Ah電池的針刺測(cè)試
先看一下LFP/C電池的測(cè)試。LFP材料的熱穩(wěn)定性相對(duì)較高,在濫用測(cè)試中有助于抑制或延緩熱時(shí)空的發(fā)生。這里是ELIIY Power的50Ah(106Wh/kg)電池的一個(gè)案例,由TUV做的針刺測(cè)試。
針刺刺入的位置在電池表面的中心。從鋼針刺入的整個(gè)過(guò)程來(lái)看,該電池沒(méi)有觀(guān)察到任何異常現(xiàn)象,顯示出較高的安全性(圖2a-2c)。
圖3鋼針粗細(xì)對(duì)針刺結(jié)果的影響
關(guān)于針刺試驗(yàn),EC Power利用仿真技術(shù)研究了鋼針的粗細(xì)對(duì)NCM電池(5Ah,120Wh/kg)針刺測(cè)試結(jié)果的影響。有一組數(shù)據(jù)可供參考:
20mm的鋼針,針刺位置溫度達(dá)到150攝氏度需要150秒;
10mm鋼針,針刺位置溫度達(dá)到150攝氏度需要75秒;
5mm鋼針,針刺位置溫度達(dá)到150攝氏度僅僅需要2秒(圖3)。
說(shuō)明采用較細(xì)的鋼針,在針刺位置的局部溫升相對(duì)更快,更加容易造成電池?zé)崾Э亍?/div>
圖4 LFP 50Ah電池的擠壓測(cè)試
圖4同樣是EIILY Power的50Ah LFP電池的擠壓測(cè)試,擠壓位置也在電池中間位置。
從擠壓頭擠壓到電池厚度一半左右的位置,電池沒(méi)有觀(guān)察到任何異,F(xiàn)象(圖4a,4b)。
繼續(xù)擠壓時(shí),可以看到電池內(nèi)部電解液噴射出來(lái)(圖4c);
繼續(xù)擠壓時(shí),開(kāi)始出現(xiàn)少量白煙(圖4d);擠壓到圖4e位置時(shí),觀(guān)察到電池殼體開(kāi)始發(fā)生破裂;
圖4f是100%擠壓變形了,電池殼體已經(jīng)被擠壓破裂成兩半,并且可以觀(guān)察到在右邊半塊電池表面的塑料包裝膜開(kāi)始受熱收縮,說(shuō)明此時(shí)電池內(nèi)部溫升較快。
盡管如此,在整個(gè)擠壓過(guò)程中,電池沒(méi)有出現(xiàn)著火、爆炸現(xiàn)象,顯示出較好的安全特性。
圖5擠壓測(cè)試失敗案例
圖5是一個(gè)單體電池的擠壓測(cè)試的失敗案例。從擠壓頭開(kāi)始擠壓電池,電池就有少量白煙從頂部冒出(圖5b),接著就開(kāi)始噴射出大量白煙(圖5c),緊接著在第六秒鐘就噴射中大量火星和火焰,電池完全著火爆炸,數(shù)秒鐘之內(nèi),著火爆炸產(chǎn)生的氣體、煙霧、飛濺出來(lái)的殘留物就彌漫到整個(gè)測(cè)試房間內(nèi)。
我們看一下鋰離子電池在熱失控后從電池內(nèi)部都釋放出哪些氣體。當(dāng)然,由于每種電池的組成、結(jié)果、化學(xué)狀態(tài)都存在差異,釋放出來(lái)的氣體各有差異。通常,這些氣體都是可燃的,當(dāng)熱失控造成電池內(nèi)部溫度快速上升到一定程度,就有可能觸發(fā)燃燒。
這里以一個(gè)40Ah NCM/C軟包電池為例說(shuō)明,它的電解液為L(zhǎng)iPF6/EMC/DEC/EC。在充滿(mǎn)電的情況下,通過(guò)針刺出發(fā)熱失控,從而采集分析釋放的氣體成分。分析結(jié)果顯示,釋放出來(lái)的氣體成分主要包括:
EMC:碳酸甲酯乙基酯
DEC:碳酸二乙酯
EC:碳酸乙烯酯
Benzene:苯
Toluene:甲苯
Styrene:苯乙烯
Biphenyl:聯(lián)苯
Acrolein:丙烯醛
CO:一氧化碳
COS:硫化碳酰
Hydrogen fluoride:這是氟化氫
上述這些物質(zhì)中,有些是氣體,有些是揮發(fā)的液體。前三種物質(zhì)是電解液本身?yè)]發(fā)出來(lái)的,后面幾種物質(zhì)都是在熱失控過(guò)程中形成的新物質(zhì)。上面所有物質(zhì)都已具有一定毒性的,在一定溫度下都是可燃的。
表1氣體成分
下面再看一個(gè)傳統(tǒng)消費(fèi)類(lèi)電池,電池材料為L(zhǎng)iCoO2/C,2.1Ah軟包電池,能量為7.7Wh。
觸發(fā)熱失控后通過(guò)設(shè)備采集氣體進(jìn)行分析,得到表1結(jié)果。這里的氣體成分包括:
一氧化碳、二氧化碳、氫氣
甲烷、乙烷、丙烷、異丁烷、丁烷、異戊烷、異戊烷、己烷、乙烯、丙烯、苯、甲苯、苯乙烷
其中,在100%SOC和150%SOC下,體積含量最多的是一氧化碳、二氧化碳和氫氣。主要成分是一氧化碳、二氧化碳和氫氣,其余是烷烴、烯烴、苯等有機(jī)物,這些也可使可燃?xì)怏w。
同時(shí)測(cè)量釋放出來(lái)的氣體的含量(表2),從50%SOC到100%SOC,熱失控后釋放出來(lái)的氣體含量增加了3倍多。在150%SOC,釋放的氣體含量達(dá)到了50%SOC下的7.5倍,一個(gè)小小的電池竟然可以釋放出這么多的氣體。
表2氣體含量
(責(zé)任編輯:子蕊)
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