清華大學汽車工程系副教授韓雪冰:鋰離子電池熱失控實驗、機理與模型研究
發布時間:2018-04-18 11:49:00
關鍵詞:Li+學社

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圖為清華大學汽車工程系副教授韓雪冰做課題報告


韓雪冰:我是韓雪冰來自于清華大學汽車工程系,我這次講的題目是《鋰離子動力電池熱失控實驗、機理與模型研究》,我今天主要講的是我們這邊課題組研究的一些成果,主要從電動車的角度出發,看電池的性能以及對安全性的影響。

 

首先是研究背景,鋰離子動力電池安全性是制約鋰離子動力電池大規模應用的重要因素。時有發生的鋰離子動力電池安全性事故引起人們的關注,鋰離子動力電池安全性事故主要為鋰離子電池的熱失控,因為種種的原因,無論是機械的誘因,或者外部加熱、火燒導致劇烈地燃燒爆炸引發安全事故。

 

我們從三方面對它進行分析和探索,主要是實驗、機理和模型。首先是實驗,對于車上用的電池來講,通常是大容量的電池,通常大于100的也有,對于小的電池測試會有一些新的問題出現。對于大容量的電池來講的話,內部溫度無法忽視。小電池內部溫度影響大,大容量電池的內部溫度是無法忽視的。

 

常規熱失控測試,受環境散熱影響,實驗可重復性差,無法準確測得電池熱失控的過程中釋放的能量。絕熱熱失控測試,也面臨著一些新的問題。我們一方面進行內部溫度層的重構,一方面也嘗試了絕熱失控環境測試技術,一方面我們分析電池內部發生了什么樣的機理,導致出現的問題,一方面我們也因為管理提供的依據,測試了數十款樣品,提出了定量的動力電池瑞失控測試方法,T1瑞失控最高溫度,代表釋放能量,T2:熱失控觸發溫度,T3:自生熱失控溫度。T1T2T3為電池熱失控共性特征,可用于評價不同種類的動力電池安全性。    

 

基于二次實驗的結果,我們對熱失控的過程進行簡單的分析,達到自生熱的溫度之后,開始有一些副反應,對于SDI的分解,每一個副反應導致溫度的,導致電池的溫度不斷升高,導致電池的熱失控。隔膜有可能會導致電池的熔化,幾分鐘前可能會有一個突降,對于實車電池熱失控的預警提供依據。最主要的原因是當溫度達到200度之后,電池的隔膜發生大規模的崩潰,導致了內部釋放巨大的能量觸發電池的熱失控。

 

為了契合這個主題導致了高比能電池的測試結果,我們做一些小的電池軟包電池,做一個參照,再用NCM532正極,石墨負極的電池為篡找組,分別研究高法兩正負極料對全電池安全性的影響,改變正極材料為811高鎳正極,改變負極料為硅碳負極。

 

無論是石墨負極熱失控都會有一個明顯的降低,最差的熱失控釋放能量,我們也研究過一些對于電池的安全性,用一些高穩定性的無紡布的隔膜,在其中的一些特征,整體的形狀跟高性能電池是沒什么差別的,藍色的電壓對于傳統電池來講,熱失控發生前電壓就掉下來了,但是對于隔膜的電池來講,對于電壓的特征會產生一些問題,內部對待熱失控之前會有明顯的上升。

 

對機理的探索,還是想說如何來一方面建立電池的熱失控模型,另一方面也想反饋單體上面是給出一些方法,發面熱失控的發生,盡量改變特征,讓熱失控的能力越低越好。單純地采用加速是不夠的,只是把全面的特性進行了一個研究,研究整個電池的表現,把DSC掃描具體地看內部各個材料,正極、負極在溫度的時候料的副反應以及情況。

 

相當于是把試樣及參比物置于同一加熱爐中,測量不同的速率,我們也測過各種的正負極材料,帶動DSE的測試結果,第一反應是把電池溫度帶高,通過第二反應等一系列的反應導致熱失控的發生,我們傳統熱失控達到一百多度的時候隔膜開始熔化,熔化會導致吸熱的產生。吸熱會導致電池的短路,150度左右,隔膜會達到隔膜熔化的峰值,無法分清正極和負極,導致發生短路,導致電壓降。隔膜完全崩潰的時候會導致熱失控的發生。

 

新型高發能高安全PET隔膜鋰離子電池熱失控機理,我們達到250度或者270度,隔膜表面看不出有什么變化,比如說達到450度隔膜還可以完全保持它的形態,這已經不是熱失控的主要原因,這也是我們做DSA的測試,在一種正負極活性材料在高溫下發生劇烈的反應所導致的。

 

ARC測試,馬上熱失控的電池拆開,分析電池材料的特性,還有一種可能的熱失控的機理是溫度到達200度之后,正負極材料相變產生的劇烈反應,從而導致電池的熱失控。

 

基于這種機理,我們進一步研究出電池熱失控的模型,模型的目的是有很多的用途,一方面可以用于設計,設計的時候會反應出有一個單體,系統會不會熱擴散,到底是由哪幾個反應組成,至少我們有一個電池設計的優化目標,電池熱失控達到我們的要求,通過正極材料、負極材料的方式滿足這一要求。

 

我拿正極材料做DSA,比如說正極溫度越高就越靠前,另外方面是從全面的角度做,把整個電池看成是一個黑箱,不管材料什么反應,直接從理論上去觀察的現象。建立基于組份料的模型,熱失控的機理或者是導致熱失控的核心副反應,針對特性的研究。我們先做機理分析,做材料分析,基于模型搭建電池熱失控的預測。

 

我們針對某款電池針對正極、負極、隔膜等等做的DSC測試,各個溫度下都有哪些反應,導致熱失控的哪些反應,會有很多的反應,但最影響熱失控的特性是這六個反應,SEI膜分解反應等等關鍵的反應。進而我們做了同溫度的DSA的崔世,建立反應同的方程,針對動力學反應的篡數,通過一些非線性的動力學方法,擬合反應的篡數,達到一個發展好的擬合,基于材料的測試,電池熱失控測試,比如說絕熱ARC的實驗結果對比,熱箱實驗結果對比,實驗結果是完全可以對得上的。在沒有電池的時候做這個時候,也就是說做電池測試的時候可以把它做出來,我們在材料的階段可以很好地節約開發的時間和周期。

 

    基于這樣的一些結果,我們在另一個平臺上做了電池熱失控的仿真軟件的平臺,包括一些軟件測試,最后是我們的安全實驗室,我們在清華大學歐陽明高院士引導的,主要是針對電池的熱失控、熱擴散的研究,希望各位給予關注,這就是我的報告,謝謝大家!


(根據現場發言整理 未經本人審核)

稿件來源: 電池中國網
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