隨著電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程的不斷新增，能量密度更高的三元材料逐漸替代了穩(wěn)定性更好的磷酸鐵鋰材料。雖然三元材料為動(dòng)力鋰電池帶來(lái)了更高的能量密度，但是其熱穩(wěn)定性較低，特別是高鎳材料在200℃度左右就開(kāi)始發(fā)生分解，釋放O2，這也導(dǎo)致了三元材料鋰電池的安全性要低于磷酸鐵鋰材料電池，因此一旦發(fā)生電濫用、熱濫用和機(jī)械濫用等，就容易引起電池?zé)崾Э亍?/p>

　　近日，應(yīng)急管理部天津消防研究所的羨學(xué)磊(第一作者)和董海斌(通訊作者)對(duì)三元軟包鋰電池在熱觸發(fā)和過(guò)充觸發(fā)熱失控兩種情況下的熱失控行為，研究表明熱觸發(fā)情況下重要是正極材料高溫分解出現(xiàn)O2和電解液氣化后出現(xiàn)的混合氣體噴出，因此電池直接噴射火焰，而又過(guò)充觸發(fā)的熱失控則重要來(lái)自于負(fù)極和電解液反應(yīng)出現(xiàn)的大量的烷烴類氣體，因此電池先發(fā)生噴射，然后被點(diǎn)燃。

　　實(shí)驗(yàn)中作者采用的軟包三元鋰電池的基本信息如下圖所示，電池的正極材料采用的為NCM811，負(fù)極為石墨，電池容量為107Ah。

　　為了觀測(cè)上述的軟包鋰電池在熱失控過(guò)程中的行為，作者設(shè)計(jì)了下圖所示的觀測(cè)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(gè)熱失控過(guò)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(guò)在電池下部新增一個(gè)熱板，對(duì)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(duì)電池進(jìn)行持續(xù)充電，通過(guò)過(guò)充的方式觸發(fā)電池?zé)崾Э亍?/p>

　　其中熱觸發(fā)重要包含以下步驟：

　　充滿電

　　加熱，直至熱失控

　　停止加熱

　　過(guò)充觸發(fā)則包含以下步驟：

　　充滿電

　　以50A電流持續(xù)對(duì)電池進(jìn)行充電，直至熱失控

　　停止充電

　　加熱觸發(fā)熱失控

　　熱觸發(fā)過(guò)程總計(jì)可以分為五個(gè)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(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電池被加熱到215.7℃時(shí)，電池開(kāi)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(kāi)始出現(xiàn)噴火，同時(shí)電池四周也開(kāi)始破裂，出現(xiàn)噴火，這一過(guò)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(guò)程，這一過(guò)程持續(xù)了28s。在整個(gè)加熱的過(guò)程中電池的電壓基本無(wú)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(wú)法通過(guò)檢測(cè)電壓異常的方式預(yù)警電池?zé)崾Э亍?/p>

　　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(cè)試結(jié)果表明電池在100和150℃下均不會(huì)發(fā)生熱失控，只有當(dāng)加熱溫度超過(guò)200℃才會(huì)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?？?，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(guò)充觸發(fā)熱失控

　　過(guò)充觸發(fā)熱失控同樣可以分為5個(gè)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(cè)試發(fā)現(xiàn)當(dāng)電池過(guò)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(kāi)始快速新增，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(gè)長(zhǎng)邊也出現(xiàn)撕裂的現(xiàn)象，電池開(kāi)始朝著多個(gè)方向噴火，整個(gè)過(guò)程持續(xù)了大約5s。隨后電池開(kāi)始安靜燃燒，這一過(guò)程持續(xù)了43s左右，在整個(gè)過(guò)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(guò)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(kāi)裂，噴出霧氣及高溫熔融狀態(tài)的固態(tài)顆粒，在爆噴的過(guò)程中，電池開(kāi)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(guò)充引發(fā)的電池爆噴中，電池噴出的電解液在初期并沒(méi)有發(fā)生燃燒，當(dāng)這些可燃的氣體和液體和空氣中的氧氣達(dá)到一定的濃度時(shí)，電池噴出車的熔融顆粒會(huì)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(guò)充觸發(fā)的熱失控在電池的行為上存在一定的差別，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(guò)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，在和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(dòng)力鋰電池?zé)崾Э丶盎馂?zāi)特性研究，《儲(chǔ)能科學(xué)和技術(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