前言

9系超高鎳三元鋰離子電池是指正極材料元素比值為Ni:Co:Mn=9:0.5:0.5的三元鋰離子電池，作為短期內已經(jīng)將鋰電池正極材料的潛力發(fā)揮到最大的方案，9系鋰電池的理論能量密度甚至超過(guò)了300Wh/kg。由于9系鋰電池具有超高的能量密度，受到了致力于提高新能源汽車(chē)續航里程的主機廠(chǎng)的密切關(guān)注。但高能量密度伴隨著(zhù)潛在的高危險性，因此獲得9系電池的熱失控特征參數尤為重要，但是9系鋰電池的熱失控過(guò)程非常劇烈，有較大概率會(huì )損傷儀器，因此9系鋰電池的絕熱熱失控實(shí)驗數據十分缺乏，電池熱管理設計也缺少實(shí)驗數據的支撐。
本文利用杭州仰儀科技有限公司BAC-420A大型電池絕熱量熱儀進(jìn)行了130Ah的9系NCM超高鎳鋰離子電池的絕熱熱失控測試，獲得該電池熱失控過(guò)程的相關(guān)熱力學(xué)特征參數等信息。相關(guān)結果有助于幫助研究人員明確9系電池的熱失控危害性，優(yōu)化電池安全設計。

實(shí)驗部分

1.樣品準備

實(shí)驗樣品：130Ah 9系NCM鋰離子電池*1，260mm*100mm*25mm，100%SOC。

2.實(shí)驗條件

實(shí)驗儀器：杭州仰儀科技BAC-420A大型電池絕熱量熱儀；

工作模式：HWS模式、溫差基線(xiàn)模式；

標準鋁塊：6061鋁合金材質(zhì)。

圖1 BAC-420A大型電池絕熱量熱儀

3.實(shí)驗過(guò)程

3.1 溫差基線(xiàn)校正：利用與電池大小形狀一致的標準鋁塊進(jìn)行溫差基線(xiàn)模式實(shí)驗，對熱電偶及儀器進(jìn)行校正；
3.2 標準鋁塊HWS實(shí)驗：利用標準鋁塊進(jìn)行HWS模式實(shí)驗，驗證溫差基線(xiàn)校正的效果及實(shí)驗過(guò)程中儀器的絕熱性能；
3.3 電池HWS實(shí)驗：為了防止9系電池熱失控損壞爐腔，因此在電池外部增加了如圖2所示的金屬網(wǎng)防護罩，以HWS模式進(jìn)行絕熱熱失控實(shí)驗；

圖2 9系電池實(shí)驗安裝示意圖及實(shí)物照片

3.4 標準鋁塊HWS實(shí)驗：電池HWS實(shí)驗結束后，用標準鋁塊重新進(jìn)行HWS驗證實(shí)驗，用于驗證熱失控后儀器功能是否正常及傳感器漂移程度。

實(shí)驗結果

圖3 電池絕熱熱失控(a)溫度-壓力曲線(xiàn)及(b)溫升速率-溫度曲線(xiàn)

如圖3(a)所示，電池在82.68℃下的自放熱溫升速率達到了0.02℃/min的Tonset檢測閾值；在131.67℃達到泄壓溫度Tv，泄壓閥打開(kāi)；隨后在169.49℃達到熱失控起始溫度TTR (60℃/min)，電池發(fā)生熱失控，數秒內溫度快速升高至約1090℃，最大溫升速率(dT/dt)max超過(guò)40000℃/min。并且通過(guò)圖4所示的抗爆箱內外部的監控畫(huà)面，可以發(fā)現電池的熱失控過(guò)程十分劇烈，在極短的時(shí)間內噴射出強烈的射流火及大量濃煙，同時(shí)瞬間產(chǎn)生的高溫高壓氣流對實(shí)驗室墻面產(chǎn)生了一定的沖擊作用。

圖4 (a)防爆箱內部視頻及(b)防爆箱外部視頻

圖5 電池殘骸照片

通過(guò)觀(guān)察電池殘骸可以發(fā)現，泄壓閥位置完全崩裂，同時(shí)電池殘骸基本僅剩外部鋁殼，內部電池材料幾乎全部從泄壓口噴出，熱失控后電池的質(zhì)量損失率達到了85.97%，也側面表明了9系電芯的熱失控劇烈程度。

圖6 電池熱失控前(a)后(b)鋁塊HWS模式實(shí)驗曲線(xiàn)

在電池實(shí)驗前，通過(guò)標準鋁塊的HWS實(shí)驗驗證了儀器良好的絕熱性能，如圖6(a)，每個(gè)溫度臺階鋁塊的溫升速率均小于±0.002℃/min；電池測試后，為了確認儀器能否在承受9系鋰電池的劇烈爆炸后仍然能正常使用，重新進(jìn)行一次標準鋁塊的HWS實(shí)驗。通過(guò)圖6(b)可以發(fā)現，實(shí)驗過(guò)程中儀器運行良好，并且每一個(gè)臺階的溫升速率均低于±0.002℃/min，絕熱性能依然優(yōu)異，說(shuō)明儀器功能完好，同時(shí)傳感器未出現明顯漂移。

結論

大容量9系超高鎳NCM鋰電池絕熱熱失控的劇烈程度高，實(shí)驗室應具備足夠的泄壓泄爆面積（建議50平米以上），同時(shí)實(shí)驗室墻面應進(jìn)行加固。

仰儀科技BAC-420A大型電池絕熱量熱儀具有優(yōu)異的耐壓和抗爆性，能夠承受大容量超高比能電芯的熱失控爆炸沖擊。