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9系三元锂电池热失控特性研究

更新时间:2023-03-31  |  点击率:819

前言


镍钴锰或镍钴铝三元锂离子电池具有能量密度高、低温及循环性能好等优势[1],被广泛应用于新能源汽车等领域。与此同时,三元锂电池也存在着热定性较差的缺点,三元正极材料在250-300℃的高温下会发生剧烈的分解反应,同时释放氧分子,诱发电解液燃烧和电池爆燃。

为满足新能源汽车日益增长的续航里程需求,部分电池厂商致力于不断提高电池的能量密度,因此三元锂电池从低镍3系电池不断发展到高镍8系以及超高镍9系电池。理论上伴随着活性金属成分的不断提升,正极材料和电池的热稳定性下降,热失控风险随之上升。
由于超高镍9系电池尚未实现规模化应用,行业内相对缺乏该类型电池的热安全特征信息。本文利用电池绝热量热仪测试了9系三元锂电池的热失控过程,证明9系锂电池的热失控剧烈程度远超其他类型的三元电池。

实验部分


1. 样品准备
电池样品:  NCM9系三元软包锂电池(5Ah)
2. 实验条件
实验仪器:仰仪科技BAC-420A大型电池绝热量热仪、电池充放电设备、TP700多通道测温仪;
实验模式:HWS-R模式、温差基线模式;
记录频率:1~100Hz;
自放热检测阈值:0.02℃/min;
热电偶固定位置:电池大面中心点(样品热电偶)、电池正极(附加热电偶)

实验结果



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图1 9系三元锂电池热失控(a)温升及电压曲线及(b)温升速率-温度曲线
表1 9系三元锂电池热失控特征参数表*
图片
*上述参数均以样品热电偶贴合处温度进行计算;
**
Tonset判断条件为dT/dt =0.02C/min;
***TTR判断条件为dT/dt =60°C/min。

根据测试数据,9系三元锂电池自放热起始温度Tonset为86.78度,热失控起始温度TTR为202.76度,电池电压的骤降点与TTR温度基本一致。电池到达TTR之后具有JI高的温升速率,2s内电池表面温度达到热失控最高温度1109℃,最大升温速率约为48900℃/min。与9系锂电池相比,如图2所示,6系电池从TTR到达Tmax需要70s,最大升温速率约6500℃/min;8系电池需要5s,最大升温速率约为20600℃/min,说明随着镍含量的上升,电池热失控剧烈程度不断提高。

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图2 (a)6系三元温升速率-温度及(b)8系三元温升速率-温度曲线

图片


图3  样品锂电池(a)热失控视频及(b)实验后腔体照片


另外,从视频及图片中发现,9系锂电池在热失控瞬间发生了猛烈的火焰喷射现象,并且量热腔壁面残留大量电池材料喷射物,也说明该电池发生了剧烈的热失控。


结论



本次实验利用BAC-420A大型电池绝热量热仪测量了9系三元锂电池的热失控特征参数。相关实验数据有助于对该类电池进行改良,提升其安全性。


参考文献:

[1]张萌启.三元锂电池过充热失控特性与探测方法研究[D].导师:杜建华.华侨大学,2020.