动力锂离子电池的热失控

锂离子在电池充电过程中的演化和快速充电控制

通过试验发现,在电池快速充电时,会出现明显的锂沉淀现象。通过对锂演化机理的研究发现,锂演化的完整过程包括电池充电过程中锂在负极表面的沉淀和重嵌。沉淀过程是在负极电位为零后形成的。当电池停止充电后,电位会回到零以上电位。此时,它将被重新嵌入。然后所有的可逆锂将完全溶解,负极将不再反应。

通过调节充电电流使电位差接近于零,可以实现无锂沉淀的快速充电。

电池和电池管理中的短路

电池内部短路是电池热失控的常见环节。由于各种原因,可能会发生不同类型的内部短路,包括机械变形、挤压、撕裂、膜片断裂、过充和过放电、极度过热。更危险的内部短路是自感内部短路,如波音787事故,是由于长期运行后在制造过程中引入杂质和颗粒的累积演化而发生的。

内部短路是测试中难以再现的现象。应该开发各种可供选择的测试方法。我们发明了一种新的替代测试方法来模拟内部短路的检测。其关键是将特殊记忆合金内部带有尖刺结构的短路触发元件植入电池内,提高温度使尖刺结构向上倾斜刺穿膜片,模拟内部短路过程。

通过测试,发现重要的内部短路类型包括铝铜、正铜、铝负极和正负极电路。有的瞬间失控,如铝与负极的接触;正负极之间的接触一般不会引起热逃逸;铝和铜接触的风险也相对较高,但不一定会立即导致内部短路。

试验中最重要的是内部短路位置的熔断,可能导致整个内部短路或更严重的内部短路终止。

因此,有必要对影响熔断的各种参数进行分析。我们对内部短路的整个演变过程进行了全面的分解和总结。在此基础上,提出为了防止热失控,有必要在早期对内部短路进行测试。

串联电池组内部短路测试方法是分析方法之一,必须根据一致性差进行诊断。

当然,仅仅内部短路测试是不够的。只有全面管理过充、过放电和SOP,才能实现内部短路和热失控的预警。这是以安全为核心的全方位状态估计和故障测试的新一代电池管理系统。

热失控和单电池热设计

隔膜材料发生了许多变化。从PE、PP、PE +陶瓷到pet,膜片的耐热温度一直很高,可达300℃;同时,阴极材料的释氧温度从早期LFP逐渐降低到ncm111、ncm523、ncm622和ncm811。

随着这两种技术的变化,热失控的机理也在发生变化。早期的电池大多因膜片坍塌导致内部大规模短路而失控,但目前使用的装有811正功率锂离子电池的高温膜片,其热失控机制发生了变化,而正极材料的氧释放已成为热失控的主要原因。

测试结果表明,如果膜片被完全移除,电解液没有内部短路,仍然会发生热失控。当正负粉末混合检测时,会出现剧烈的放热峰。

电池系统的热扩散和热管理

如果前面的方法都失败了,我们应该从整个系统的角度来考虑问题。例如,如果剧烈碰撞或底盘被尖锐物质刺穿,热失控会不时发生。这种热失控只能在系统层面上处理。

首先,检测热失控扩散过程,发现热失控逐个发生。

其次,检测并联电池模块的热扩散,发现并联模块热失控扩散的独特特征,即多级v形电压降;当实车电池模块不受约束时,热失控膨胀会在电池模块内表现出加速效应,最终导致整个模块剧烈燃烧爆炸。

再次,对热失控射流阀的特性进行了检测。在密闭定容燃烧弹中,利用高速摄像机记录了热逃逸射流的全过程。通过检测发现,喷发流呈现气液固三相共存的特征,其中气体喷发速度高达137m / s。

在此基础上进行散热抑制设计,包括隔热设计和散热设计。隔热设计是用不同的隔热材料来保护模块的散热,散热设计是用不同的液体冷却流量来抑制散热。

在一般的电池系统中,隔热散热可以单独处理散热的过程,但在新的电池系统中,隔热散热要结合起来抑制散热,这就是所谓的防火墙技术。

国际标准的制定已经采用了热扩散技术。目前,世界上还没有统一的散热标准。中国即将出台热传播标准。热扩散是导致安全事故的最后一道防线。我们要守好这最后一道防线,努力向世界推广中国的相关经验,成为全球法律和规则。

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