為了觀測上述的軟包電池在熱失控過程中的行為,作者設(shè)計(jì)了下圖所示的觀測系統(tǒng),采用高速相機(jī)(4000幀/s)、熱成像相機(jī)和普通相機(jī)記錄了整個熱失控過程。實(shí)驗(yàn)中作者采用了兩種方式觸發(fā)熱失控,第一種是加熱的方式,通過在電池下部增加一個熱板,對滿電態(tài)的電池進(jìn)行加熱,觸發(fā)熱失控。第二種方式是采用充放電設(shè)備對電池進(jìn)行持續(xù)充電,通過過充的方式觸發(fā)電池?zé)崾Э亍?/div>
熱觸發(fā)過程總計(jì)可以分為五個步驟:1.加熱,電池鼓包;2.一端爆噴;3.另一段爆噴;4.安靜燃燒;5. 結(jié)束。通過測試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),當(dāng)電池被加熱到215.7 ℃時(shí),電池開始出現(xiàn)明顯的鼓脹和電解液爆噴現(xiàn)象,電池的一端出現(xiàn)噴火。大約7s后電池的另一端也開始出現(xiàn)噴火,同時(shí)電池四周也開始破裂,出現(xiàn)噴火,這一過程持續(xù)了19s,最高溫度為720.1 ℃。隨后電池進(jìn)入到安靜燃燒的過程,這一過程持續(xù)了28s。在整個加熱的過程中電池的電壓基本無變化,直到電池出現(xiàn)爆噴后,電池電壓突然下降為0V,這表明我們無法通過檢測電壓異常的方式預(yù)警電池?zé)崾Э亍?/div>
為了驗(yàn)證電池?zé)崾Э氐挠|發(fā)溫度,作者分別將電池加熱到100 ℃、150 ℃和200 ℃,測試結(jié)果表明電池在100和150 ℃下均不會發(fā)生熱失控,只有當(dāng)加熱溫度超過200 ℃才會觸發(fā)熱失控。
下圖為作者采用高速相機(jī)記錄的電池?zé)崾Э厮查g的畫面,可以看到電池時(shí)從靠近極耳的位置發(fā)生破裂,同時(shí)電池爆噴的速度非常快,在不到0.5s的時(shí)間里就有大量的火焰從鋁塑膜的破口出噴出。
過充觸發(fā)熱失控
過充觸發(fā)熱失控同樣可以分為5個階段:1. 電池鼓脹;2. 一端爆噴;3. 另一端爆噴;4. 安靜燃燒;5. 結(jié)束。
測試發(fā)現(xiàn)當(dāng)電池過充達(dá)到126%SoC時(shí),電池表面最高溫度達(dá)到98.7 ℃,電池最大升溫速度為1.7 ℃/min,隨后電池的膨脹速度和升溫速度也開始快速增加,電池表面及極耳處的升溫速率不低于5 ℃/min,隨后電池的一端發(fā)生爆噴,在一端爆噴后的2s左右,另一端也發(fā)生了爆噴,同時(shí)電池的另外兩個長邊也出現(xiàn)撕裂的現(xiàn)象,電池開始朝著多個方向噴火,整個過程持續(xù)了大約5s。隨后電池開始安靜燃燒,這一過程持續(xù)了43s左右,在整個過程中電池的電壓一直持續(xù)升高,直到電池發(fā)生爆噴,電壓突然下降為0V。
下圖為高速相機(jī)記錄的過充引起的電池爆噴現(xiàn)象,從圖中能偶看到首先電池一端的極耳開裂,噴出霧氣及高溫熔融狀態(tài)的固態(tài)顆粒,在爆噴的過程中,電池開口處出現(xiàn)了電火花,電解液被引燃,發(fā)生劇烈的爆炸式燃燒。
在過充引發(fā)的電池爆噴中,電池噴出的電解液在初期并沒有發(fā)生燃燒,當(dāng)這些可燃的氣體和液體與空氣中的氧氣達(dá)到一定的濃度時(shí),電池噴出車的熔融顆粒會突然將其引燃,引起爆炸式燃燒(如下圖所示)。
羨學(xué)磊的研究表明,加熱觸發(fā)和過充觸發(fā)的熱失控在電池的行為上存在一定的區(qū)別,其中加熱觸發(fā)時(shí)電池外殼破裂時(shí)噴出的氣體中混有相當(dāng)數(shù)量的O2,因此電池直接噴射火焰,而在過充觸發(fā)熱失控時(shí)電池首先噴出的液體和氣體,以及熔融顆粒的混合物,在與空氣中的氧氣混合達(dá)到一定的濃度后才被引燃,隨即發(fā)生了爆炸式燃燒,其劇烈程度甚至要高于加熱觸發(fā)的熱失控。
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三元鋰離子動力電池?zé)崾Э丶盎馂?zāi)特性研究,《儲能科學(xué)與技術(shù)》2020. 19(01):239-249,羨學(xué)磊,董海斌,張少禹,李毅,劉連喜,于東興,盛彥鋒,伊程毅,韓光
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