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本文利用BAC-420A大型電池絕熱量熱儀對130Ah 9系超高鎳NCM三元鋰離子電池的絕熱熱失控行為進行了研究,填補了行業內缺乏大容量超高鎳電芯熱失控數據的空白。

前言

9系超高鎳三元鋰離子電池是指正極材料元素比值為Ni:Co:Mn=9:0.5:0.5的三元鋰離子電池,作為短期內已經將鋰電池正極材料的潛力發揮到最大的方案,9系鋰電池的理論能量密度甚至超過了300Wh/kg。

由于9系鋰電池具有超高的能量密度,受到了致力于提高新能源汽車續航里程的主機廠的密切關注。但高能量密度伴隨著潛在的高危險性,因此獲得9系電池的熱失控特征參數尤為重要,但是9系鋰電池的熱失控過程非常劇烈,有較大概率會損傷儀器,因此9系鋰電池的絕熱熱失控實驗數據十分缺乏,電池熱管理設計也缺少實驗數據的支撐。

本文利用杭州仰儀科技有限公司BAC-420A大型電池絕熱量熱儀進行了130Ah的9系NCM超高鎳鋰離子電池的絕熱熱失控測試,獲得該電池熱失控過程的相關熱力學特征參數等信息。相關結果有助于幫助研究人員明確9系電池的熱失控危害性,優化電池安全設計。

實驗部分

1.樣品準備

實驗樣品:130Ah 9系NCM鋰離子電池*1,260mm*100mm*25mm,100%SOC。

2.實驗條件

實驗儀器:杭州仰儀科技BAC-420A大型電池絕熱量熱儀;

工作模式:HWS模式、溫差基線模式;

標準鋁塊:6061鋁合金材質。

圖1 BAC-420A大型電池絕熱量熱儀

3.實驗過程

3.1 溫差基線校正:利用與電池大小形狀一致的標準鋁塊進行溫差基線模式實驗,對熱電偶及儀器進行校正;

3.2 標準鋁塊HWS實驗:利用標準鋁塊進行HWS模式實驗,驗證溫差基線校正的效果及實驗過程中儀器的絕熱性能;

3.3 電池HWS實驗:為了防止9系電池熱失控損壞爐腔,因此在電池外部增加了如圖2所示的金屬網防護罩,以HWS模式進行絕熱熱失控實驗;

圖2 9系電池實驗安裝示意圖及實物照片

3.4 標準鋁塊HWS實驗:電池HWS實驗結束后,用標準鋁塊重新進行HWS驗證實驗,用于驗證熱失控后儀器功能是否正常及傳感器漂移程度。

實驗結果

圖3 電池絕熱熱失控(a)溫度-壓力曲線及(b)溫升速率-溫度曲線

如圖3(a)所示,電池在82.68℃下的自放熱溫升速率達到了0.02℃/min的Tonset檢測閾值;在131.67℃達到泄壓溫度Tv,泄壓閥打開;隨后在169.49℃達到熱失控起始溫度TTR?(60℃/min),電池發生熱失控,數秒內溫度快速升高至約1090℃,最大溫升速率(dT/dt)max超過40000℃/min。并且通過圖4所示的抗爆箱內外部的監控畫面,可以發現電池的熱失控過程十分劇烈,在極短的時間內噴射出強烈的射流火及大量濃煙,同時瞬間產生的高溫高壓氣流對實驗室墻面產生了一定的沖擊作用。

圖4 (a)防爆箱內部視頻及(b)防爆箱外部視頻（查看原視頻請搜索“仰儀科技”官網）

圖5 電池殘骸照片

通過觀察電池殘骸可以發現,泄壓閥位置完全崩裂,同時電池殘骸基本僅剩外部鋁殼,內部電池材料幾乎全部從泄壓口噴出,熱失控后電池的質量損失率達到了85.97%,也側面表明了9系電芯的熱失控劇烈程度。

圖6 電池熱失控前(a)后(b)鋁塊HWS模式實驗曲線

在電池實驗前,通過標準鋁塊的HWS實驗驗證了儀器良好的絕熱性能,如圖6(a),每個溫度臺階鋁塊的溫升速率均小于±0.002℃/min;電池測試后,為了確認儀器能否在承受9系鋰電池的劇烈爆炸后仍然能正常使用,重新進行一次標準鋁塊的HWS實驗。通過圖6(b)可以發現,實驗過程中儀器運行良好,并且每一個臺階的溫升速率均低于±0.002℃/min,絕熱性能依然優異,說明儀器功能完好,同時傳感器未出現明顯漂移。

結論

大容量9系超高鎳NCM鋰電池絕熱熱失控的劇烈程度高,實驗室應具備足夠的泄壓泄爆面積(建議50平米以上),同時實驗室墻面應進行加固。

仰儀科技BAC-420A大型電池絕熱量熱儀具有優異的耐壓和抗爆性,能夠承受大容量超高比能電芯的熱失控爆炸沖擊。