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      大容量高鎳鋰電池絕熱熱失控特性研究

      • 發布時間:2022-07-14
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      檢測150Ah以上的高鎳三元電芯的絕熱熱失控特性是行業內的熱點與難點問題,本文利用仰儀科技BAC-420A大型電池絕熱量熱儀測定了190Ah NCM 811電芯的熱失控特征參數,填補了大容量高鎳鋰電池的檢測空白,有助于為電動車等應用場景下的安全防護和熱管理設計提供基礎數據。

      前言

      近年來,伴隨電動汽車行業的快速發展,國家相關補貼政策也對電動汽車的電池能量密度和續航里程提出了更高的要求[1]。受產業政策要素引導,鋰電池單體也不斷向大容量和高比能量發展。目前400公里以上的續航里程為行業主流,且市場占有率逐步提升,電池能量密度在160 Wh/kg以上的車型的市場份額也在同步增長[2]。此外,“大電芯”還具有生產及應用綜合成本更低、BMS管理更便捷等優勢。在此背景下,大容量高鎳三元電芯成為動力電池的重要發展方向之一。

      電池單體的大型化為單體熱失控研究帶來了新的挑戰。市面上常規的電池絕熱量熱儀抗爆能力不足,測試大容量高鎳電池存在安全風險,導致這類電池的熱失控數據不易獲取。針對上述問題,杭州仰儀科技有限公司開發的BAC-420A大型電池絕熱量熱儀采用彈簧鎖扣結構優化了量熱儀的頂蓋和爐體的連接設計,以便于在電池熱失控階段進行快速泄壓,從而提高儀器的抗爆性能。

      本文利用BAC-420A,在經典HWS(加熱-等待-搜尋)模式下測定得到了190Ah NCM 811電芯的絕熱熱失控數據,并初步辨識了大容量高鎳電芯的熱失控危險特性。

      實驗部分

      1. 樣品準備
      電池樣品:190Ah NCM 811方殼電芯(100%SOC)。

      2. 實驗條件

      實驗儀器:杭州仰儀科技有限公司BAC-420A大型電池絕熱量熱儀、電池充放電設備、TP-700多通道測試儀;

      試驗環境溫度:28℃;

      采樣頻率:1-100Hz;

      溫度控制模式:HWS-R模式;

      自放熱檢測閾值:0.02℃/min;

      熱電偶固定位置:大面中心點、電池正極極耳、負極極耳、泄壓閥上方30mm。

      圖1 (a)BAC-420A大型電池絕熱量熱儀和(b)電池樣品安裝示意圖

      實驗結果

      1. 絕熱熱失控曲線


      圖2 190Ah電池熱失控(a)溫升/電壓-時間曲線和(b)溫升速率-溫度曲線

      大容量高鎳電芯達到熱失控起始溫度后具有極高的能量釋放速率。如圖2所示,在儀器上蓋被頂起泄壓的情況下,電池表面熱失控最高溫度Tmax仍然能夠達到約1100℃,最大溫升速率超過10000℃/min,明顯高于磷酸鐵鋰和中低鎳NCM電池的數據。

      圖3 190Ah電池熱失控過程防爆箱(a)外部和(b)內部視頻畫面

      通過視頻監控可以發現,190Ah電芯在熱失控階段發生了猛烈的煙氣噴發和火焰噴射現象。此外,據實驗現場觀察,雖然儀器無損傷,但電芯爆炸引發的氣流沖擊能夠對5米外的物體造成明顯的破壞力。因此,進行大容量高鎳電芯測試,為確保安全實驗室必須具備足夠的泄爆面積。

      結論

      本文利用BAC-420A大型電池絕熱量熱儀測量了大容量高鎳鋰電池單體的熱失控參數。相關數據可用于此類電池的熱失控風險評價以及熱管理系統設計,提高電動汽車、儲能電站、民用航天等應用場景的安全性。

      參考資料:

      [1] 2022年新能源汽車推廣補貼方案[EB/OL]. www.gov.cn,2021-12-31.

      [2]新能源乘用車動力電池續航里程發展趨勢分析[DB/OL]. www.autoinfo.org.cn,2021-06-18.


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