不同触发条件下的钛酸锂电池热失控特性研究

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邓志彬等对 18650 电池的
综合以上几种原因,
锂离子电池热失控触发条件可归
触发条件进行了对比研究。目前针对三元材料、磷酸铁锂
结为短路 、过充电 、受热三种 ,且各自不存在绝对的独立
等体系电池热失控已经具有相对完备的研究 ,
对于近年来
性。根据如上所述三类条件 ,以两种不同形制、不同容量
在解决快充问题上表现活跃的高安全性钛酸锂体系电池 ,
即外力作用
与非外力作用,
具体有如下几种。
1.1
锂离子电池作为高功率密度、高能量密度、长循环寿
命、环境友好的新型储能元件,
在电动汽车、轨道交通等新
叠加的结构被破坏,
内部发生短路。
能源相关产业内占据着极其重要的地位 ,
但其抗滥用能力
有限,
输出能力受温度影响,
在极端条件下会发生热失控 ,
外力作用
(1)电池遭受撞击 ,导致内部正负极材料与隔膜交替
4.564 V,起始温度 27.8 ℃ ,温度峰值约 41.8 ℃ ,温升约
上位机
上位机
14 ℃。两次实验未达到三个判定条件的任意之一,
热失控
触发失败。
4.2
40.0
3.8
电压/V
温度记录仪
温度记录仪
图 1 实验平台
表 1 电池基本参数
3.4
参数名称
Ⅰ型电池
Ⅱ型电池
3.0
额定电压/V
2.35
2.35
续)、100%SOC/280 W 持续加热、120%SOC/380 W 持续
了足够的过充能量后 ,内部的分解反应会十分剧烈 ,并可
加热条件下进行,
实验对象为Ⅰ型电池。当电池达到触发
以快速由失控态转为燃爆态。对此,
在车辆使用钛酸锂电
条件时停止加热。
池时 ,可针对电池的热量积聚阶段加以监测报警 ,以便为
实验研究。通过对实验结果的归纳与总结,
发现对于钛酸锂电池,
比实验 ,并根据各项监测数据进行对比分析 ,着重研究钛
同样的电流激励下,
其在过充期间的产热更为明显;针刺方向与电
酸锂电池在不同触发条件下的热失控特性 ,
以求为钛酸锂
池封装形式对热失控触发存在较大影响;过充电池在相同功率下
电池的热管理系统安全设计提供参考。
37.5
温度/℃
MaccorSeries
Series 4000
Maccor
4000
42.5
温度/℃
测试电池
在 180%SOC 过充实验中,
充电结束 260 s 后,
电池开
应 ,以过充+针刺(内短路)的方式进行了触发实验研究。
始胀气且发生明显形变 ,
铝塑膜封口破裂后排出大量白色
无论是软包的层叠式电池还是硬壳的卷绕式电池 ,
编辑
D
电脑
XF-D
排图文
YJY
校对

GMCC
2
修改时间:2021 年 06 月 02 日 19:24:51
3
消防理论研究
不同触发条件下的钛酸锂电池热失控特性研究
邢学彬 1 ,袁德强 1 ,王占国 2 ,黄伟男 3 ,渐彬彬 4
(1. 中车长春轨道客车股份有限公司,吉林 长春 130062;2. 北京交通大学国家能源主动配电网技术研发中心,
响。实验时 ,电池以 1C 过充至设定 SOC,从不同方向进
图 4 所示。
图 4(c)中展示了将电池温度按时间差分得到的结果,
行针刺 ,针刺后刺针留在电池内部 ,观察实验现象。具体
可以看出电池过充过程可分为 4 个阶段 :
电池常规充电阶
实验条件见表 2。
段 ,此时温升速率较小 ;静置阶段 ,电池停止产热 ,温度缓
dT/dt/ ℃/s
3. 2
电池压力
电池温度
环境温度
cccv充满
36
32
4.285
(b)电压及温度曲线
5
3.7
3.5
0
-1
0
3.8
3.6
100
0
电芯最高温度52 ℃
2 000
3 000
时间/s
38
36
4.265
34
4.260
4.250
1 000
40
4.270
32
4.255
0
60
56
52
48
44
40
4 000
表2
过充+针刺实验条件
缓下降 ;
过充阶段,
电池温升速率明显提高,
此时电池的产
热除了常规的可逆热与不可逆热 ,还有副反应热的叠加 ,
实验条件
实验一
实验二
实验三
实验四
电池种类
Ⅰ型
Ⅰ型
Ⅰ型
Ⅱ型
热量在此阶段迅速累积 ;热失控阶段 :电池热量积聚达失
刺针直径/mm
2~4
6~8
6~8
6~8
控触发阈值 ,电池电压陡降 ,温度骤升。电池热失控的关
提高电池失控时的势能 ,加剧诱发失控时电池的内部反
32.5
电芯电压
中心温度T1
中心温度T2
0
35.0
图 2 Ⅰ型电池过充至 120%SOC
4.4
至不同 SOC(120%、150%、180%)。整个实验过程监测电
停止过充
4.8
过充触发实验对象为Ⅰ型电池 ,电池同侧出极耳 ,铝
(40 A)充至电压上限(2.8 V),静置 10 min,再以 1C 过充
电池外观无胀气变形、破损、产气等明显变化。如图 2、图
数如表 1 所示。
3 所示:
电池过充至 120%SOC 时,
在停止过充瞬间测量电
压 峰 值 达 到 4.110 V,起 始 温 度 31.6 ℃ ,温 度 最 高 约
TCP/IP
TCP/IP
40.3 ℃ ,最大温升 8.7 ℃ ;150%过充实验中 ,电压峰值约
(2)电池遭受金属性利物刺击 ,在内部形成正负极材
料与金属利物的电流通路,
形成内部短路。
引发严重的安全问题。所谓热失控,
是指锂离子电池在某
(3)在一次充电过程中 ,电池发生过充且过充幅度较
些触发条件下,
发生电压陡降、温度骤升突破其承受极限,
大,
导致电池电压超出其承受上限 ,
电池内部开始分解,

引发内部电化学势能瞬间倾泻 ,导致电池整体失效的现


实验平台如图 1 所示 ,实验所用电池充放电设备为
基金项目:国家重点研发计划项目(2016YFB1200500)
消防科学与技术 2021 年 6 月第 40 卷第 6 期
787
修改时间:2021 年 06 月 02 日 19:24:51
Maccor Series 4000(电压范围 0~5 V,
快速产热产气。
象。在电池模组内,
一支或几支电池热失控产生的能量如
不能尽快被热管理系统排出 ,
则会影响到模组内的其他电
(4)电池发生外部金属性短路 ,短路电流诱发电化学
势能快速转化为热量。
池,
引起热失控的连锁反应,
即热蔓延,
最终导致整个模组
甚至是动力系统的崩溃。
清华大学欧阳明高院士的团队一直致力于锂离子电
温度/℃
5
600
电压/V
电芯电压
上侧中心温度
下侧中心温度
温度/℃
6
电芯电压
中心温度T1
中心温度T2
温度/℃
(a)针刺位置
4.1
(a)电池起火
0
30
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550
时间/s
(c)过充 150%SOC
(c)温度变化率
图 5 Ⅰ型电池过充+轴向针刺
北京 100044;3. 中国民航信息网络股份有限公司,北京 100105;4. 国家锂电池产品质量监督检验中心(山东),
山东 枣庄 277800)

要:以两款商用的、
不同容量、不同封装形式的钛酸锂电
的热失控特性进行分析。
池为研究对象,利用过充、针刺、加热的方式进行了热失控触发的
文章针对钛酸锂电池的热失控触发进行一系列的对
电流上限±100 A,
3
测量误差小于 0.05%),温度记录设备为无线数据采集仪
3.1
结果与讨论
过充实验
LR8410-30 及 测 量 单 元 LR8511( 温 度 范 围 -200~
在 120%SOC 与 150%SOC 过充实验中,充电结束后
2 000 ℃ ,分辨率 0.01 ℃)。实验所用钛酸锂电池基本参
针刺方向
轴向
轴向
径向
径向
键是积聚足够的能量 ,电池在过充后电压急剧升高 ,内部
过充 SOC
120%
150%
150%
110%
会发生分解反应 ,但如果过充时间不够长或过充能量不
加 热 实 验 分 别 在 100% SOC/380 W 加 热(间 断/持
够,
分解速度较慢,
短时间内无法触发热失控 ;
当电池获得
实验结果如图 5 所示。两次实验均仅有
了 0.048 V,背侧最大温升 15.3 ℃ ,未触发失控条件。径
少量白烟沿刺入处冒出,
电压缓慢下降,
温度缓慢上升,

向刺入保证了刺针与电池所有极片发生接触 ,但从 3.1 节
池拆解后发现,
电池在轴向针刺后发生形变 ,
只有两对正、
实验可知 ,电池热失控前需进行能量积蓄 ,由于软包电池
2.6
封装形式
软包
硬壳
充/放电截止电压/V
2.8/1.5
2.7/1.5
标称/额定容量(25 ℃,
100%DOD,
1C)/Ah
40.0
20.0
4.0
电压/V
塑膜封装 ,正 、负极集流体均为铝制。过充时电芯以 1C
200
400
30.0
27.5
600 800 1 000 1 200
时间/s
44
40
36
3.6
(5)电 池 长 时 间 处 于 高 温 状 态(超 过 其 承 受 温 度 上
限),
引起内部分解。
1.2
非外力作用
池热失控的机理研究,
该团队的 Xuning Feng 等对大尺寸
(1)长期低温使用,
导致电池内部析锂短路。
棱柱形电池进行了加热热失控研究 ,
发现在电压跌落到温
(2)过充过放且幅度较小,
图 4 Ⅰ型电池过充至 180%SOC
值;
正面温度缓升,
电压几乎不变,
退出刺针后再次针刺同
过充+针刺(内短路)实验
样位置 ,现象不变 ;退出刺针 ,针刺另一位置 ,现象同第一
首先对Ⅰ型电池过充至 120%SOC、150%SOC,并分
次。如图 6 所示,
此次反应不如轴向针刺明显。电压降低
别进行轴向针刺,
的加热热失控所需时间远远小于满电态电池。
1
关键词:钛酸锂电池;
热失控;触发条件;实验对比
中图分类号:X913.4;
TM912
文献标志码:A
文章编号:1009-0029(2021)06-0787-06
热失控触发方式
为了有效地引起电池热失控,
围绕触发原理进行对比
实验。常见的热失控触发原因可分为两大类 ,
788
Fire Science and Technology,

June 2021,Vol 40,No.6
修改时间:2021 年 06 月 02 日 19:24:51
驾驶人员的逃生提供足够的时间。
4
电压/V
500
3.9
400
3
充电结束时刻,电压瞬时值达到5.1 V
2
4.0
1
开始起火
300
200
500 1 000 1 500 2 000 2 500 3 000 3 500 4 000 4 500
时间/s
2.8 3
2
0.4
0.2
0.0
-0.2
-0.4
500
400
300
200
100
0
过充
电芯电压
中心温度T1
中心温度T2
4.280
4.275
电压/V
4


28
200 400 600 800 1 000 1 200 1 400 1 600 1 800
时间/s
0
(b)过充 120%SOC
温度/℃
电压/V
其极片
烟气 ,随后起火燃烧 ,火焰沿封边向外喷射。峰值电压约
在空间结构上都存在两个方向 :
径向(垂直于极片)与轴向
5.079 V。电压发生陡降而后温度骤升,
成功触发热失控,
(平行于极片),在这两个方控后随即转为燃烧状态 ,如
目是不同的 ,方向的选择对热失控触发也会存在较大影
停止过充
3.2
池电压、温度(使用 K 型热电耦在两个最大展向面的中心
2.8
同时采集)数据。
2.4
针刺热失控的本质是电池内部发生短路。相比于三
电芯电压
中心温度T1
中心温度T2
0
400
800
1 200
时间/s
1 600
32
28
2 000
图 3 Ⅰ型电池过充至 150%SOC
元电池与磷酸铁锂电池 ,钛酸锂电池能量密度较低 ,为了
负极极片被刺针划破并直接接触 ,
此时只有两对极片发生
的展向(轴向)面积较大 ,电芯较薄 ,裸露环境下的散热效
内短路。由图 5(b)可知 ,120%SOC 实验中电压由 3.966
短时间内电池无明显变化,
度剧烈升高之间存在 15~40 s 的间隔,
这为驾驶人员的逃
长期反复导致内部析锂短路。
生提供了时间;
此外,
Stephen Wilke 等通过在电池单体间
添加 PCM 来降低电池在濒临失控时的温升速率 ,并减缓
(3)电池服役时间过长,
容量衰退且内阻增大,
导致电
池产热功率升高。
热失控后单体间热蔓延的速度;
的商用钛酸锂电池(40 Ah 层叠式软包电池、20 Ah 卷绕式
Qinjuan Sun 等与 Qingsong Wang 等利用数值仿真与实
棱柱形电池)为研究对象 ,进行触发实验研究。热失控判
验结合的方式 ,模拟了其在充放电条件下的热行为 ,并对
定条件为 :
电池电压陡降、电池温升速率大于等于 1 ℃/s、
热失控进行预测,
得到了较好的结果;
Peifeng Huang 等通
温度超过电池承受上限。触发三者之一即判断电池达到
过加热的方式对钛酸锂电池的燃烧行为进行了实验研究 ,
热失控状态。
发现了荷电状态(State of charge,SOC)的提高会明显降
2
低电池到达燃烧状态所需的时间 ,
但未对其他触发条件下
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