清华大学汽车工程系副教授韩雪冰:锂离子电池热失控实验、机理与模型研究
发布时间:2018-04-18 11:49:00
关键词:Li+学社

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图为清华大学汽车工程系副教授韩雪冰做课题报告


韩雪冰:我是韩雪冰来自于清华大学汽车工程系,我这次讲的题目是《锂离子动力电池热失控实验、机理与模型研究》,我今天主要讲的是我们这边课题组研究的一些成果,主要从电动车的角度出发,看电池的性能以及对安全性的影响。

 

首先是研究背景,锂离子动力电池安全性是制约锂离子动力电池大规模应用的重要因素。时有发生的锂离子动力电池安全性事故引起人们的关注,锂离子动力电池安全性事故主要为锂离子电池的热失控,因为种种的原因,无论是机械的诱因,或者外部加热、火烧导致剧烈地燃烧爆炸引发安全事故。

 

我们从三方面对它进行分析和探索,主要是实验、机理和模型。首先是实验,对于车上用的电池来讲,通常是大容量的电池,通常大于100的也有,对于小的电池测试会有一些新的问题出现。对于大容量的电池来讲的话,内部温度无法忽视。小电池内部温度影响大,大容量电池的内部温度是无法忽视的。

 

常规热失控测试,受环境散热影响,实验可重复性差,无法准确测得电池热失控的过程中释放的能量。绝热热失控测试,也面临着一些新的问题。我们一方面进行内部温度层的重构,一方面也尝试了绝热失控环境测试技术,一方面我们分析电池内部发生了什么样的机理,导致出现的问题,一方面我们也因为管理提供的依据,测试了数十款样品,提出了定量的动力电池瑞失控测试方法,T1瑞失控最高温度,代表释放能量,T2:热失控触发温度,T3:自生热失控温度。T1T2T3为电池热失控共性特征,可用于评价不同种类的动力电池安全性。    

 

基于二次实验的结果,我们对热失控的过程进行简单的分析,达到自生热的温度之后,开始有一些副反应,对于SDI的分解,每一个副反应导致温度的,导致电池的温度不断升高,导致电池的热失控。隔膜有可能会导致电池的熔化,几分钟前可能会有一个突降,对于实车电池热失控的预警提供依据。最主要的原因是当温度达到200度之后,电池的隔膜发生大规模的崩溃,导致了内部释放巨大的能量触发电池的热失控。

 

为了契合这个主题导致了高比能电池的测试结果,我们做一些小的电池软包电池,做一个参照,再用NCM532正极,石墨负极的电池为篡找组,分别研究高法两正负极料对全电池安全性的影响,改变正极材料为811高镍正极,改变负极料为硅碳负极。

 

无论是石墨负极热失控都会有一个明显的降低,最差的热失控释放能量,我们也研究过一些对于电池的安全性,用一些高稳定性的无纺布的隔膜,在其中的一些特征,整体的形状跟高性能电池是没什么差别的,蓝色的电压对于传统电池来讲,热失控发生前电压就掉下来了,但是对于隔膜的电池来讲,对于电压的特征会产生一些问题,内部对待热失控之前会有明显的上升。

 

对机理的探索,还是想说如何来一方面建立电池的热失控模型,另一方面也想反馈单体上面是给出一些方法,发面热失控的发生,尽量改变特征,让热失控的能力越低越好。单纯地采用加速是不够的,只是把全面的特性进行了一个研究,研究整个电池的表现,把DSC扫描具体地看内部各个材料,正极、负极在温度的时候料的副反应以及情况。

 

相当于是把试样及参比物置于同一加热炉中,测量不同的速率,我们也测过各种的正负极材料,带动DSE的测试结果,第一反应是把电池温度带高,通过第二反应等一系列的反应导致热失控的发生,我们传统热失控达到一百多度的时候隔膜开始熔化,熔化会导致吸热的产生。吸热会导致电池的短路,150度左右,隔膜会达到隔膜熔化的峰值,无法分清正极和负极,导致发生短路,导致电压降。隔膜完全崩溃的时候会导致热失控的发生。

 

新型高发能高安全PET隔膜锂离子电池热失控机理,我们达到250度或者270度,隔膜表面看不出有什么变化,比如说达到450度隔膜还可以完全保持它的形态,这已经不是热失控的主要原因,这也是我们做DSA的测试,在一种正负极活性材料在高温下发生剧烈的反应所导致的。

 

ARC测试,马上热失控的电池拆开,分析电池材料的特性,还有一种可能的热失控的机理是温度到达200度之后,正负极材料相变产生的剧烈反应,从而导致电池的热失控。

 

基于这种机理,我们进一步研究出电池热失控的模型,模型的目的是有很多的用途,一方面可以用于设计,设计的时候会反应出有一个单体,系统会不会热扩散,到底是由哪几个反应组成,至少我们有一个电池设计的优化目标,电池热失控达到我们的要求,通过正极材料、负极材料的方式满足这一要求。

 

我拿正极材料做DSA,比如说正极温度越高就越靠前,另外方面是从全面的角度做,把整个电池看成是一个黑箱,不管材料什么反应,直接从理论上去观察的现象。建立基于组份料的模型,热失控的机理或者是导致热失控的核心副反应,针对特性的研究。我们先做机理分析,做材料分析,基于模型搭建电池热失控的预测。

 

我们针对某款电池针对正极、负极、隔膜等等做的DSC测试,各个温度下都有哪些反应,导致热失控的哪些反应,会有很多的反应,但最影响热失控的特性是这六个反应,SEI膜分解反应等等关键的反应。进而我们做了同温度的DSA的崔世,建立反应同的方程,针对动力学反应的篡数,通过一些非线性的动力学方法,拟合反应的篡数,达到一个发展好的拟合,基于材料的测试,电池热失控测试,比如说绝热ARC的实验结果对比,热箱实验结果对比,实验结果是完全可以对得上的。在没有电池的时候做这个时候,也就是说做电池测试的时候可以把它做出来,我们在材料的阶段可以很好地节约开发的时间和周期。

 

    基于这样的一些结果,我们在另一个平台上做了电池热失控的仿真软件的平台,包括一些软件测试,最后是我们的安全实验室,我们在清华大学欧阳明高院士引导的,主要是针对电池的热失控、热扩散的研究,希望各位给予关注,这就是我的报告,谢谢大家!


(根据现场发言整理 未经本人审核)

稿件来源: 大米平台直属
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