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    鋰電池組發熱失控原因和熱失控過程

    來源:存能電氣  日期:2019-07-30 10:17  瀏覽量:

      鋰電池組發熱失控原因和熱失控過程。熱失控是鋰離子電池最為嚴重的安全問題之一,熱失控會導致鋰離子電池發生起火、爆炸,嚴重威脅使用者的生命和財產安全。電池的安全性和鋰電池組的設計、濫用條件有很大關系。下面就介紹一下鋰電池組發熱失控原因和熱失控過程。

    鋰電池組.jpg

      鋰電池組發熱失控原因

      動力電池工作后是必然要發熱的,常態下是可控的,但是非常態下會失控。如果失控,必然會發生火災。技術上必須要搞清楚,對失控原因分析是必須的。歸納起來,有內、外2個方面的基本原因:

      (1)外因:過充電觸發熱失控、外力導致熱失控、過熱觸發熱失控;

      (2)內因:電池內部短路觸發熱失控。

      參與“熱失控”反應的是鋰電池中的氧化鈷化學物。加熱這種化學物達到一定溫度,它就開始自發熱,然后發展成起火和爆炸。在某些情況下,這種有機電解液釋放壓力會導致電池破裂。如果暴露在高溫環境下,或者是遇到火花,它也有可能會燃燒。

      從本質上而言,“熱失控”是一個能量正反饋循環過程:升高的溫度會導致系統變熱,系統變熱升高溫度,這又反過來又讓系統變得更熱。熱失控是很常見的現象,從混凝土養護到恒星爆炸,都有可能會出現熱失控。

      熱失控現象及其強度與鋰電池組的大小、配置和電池單元的數量有關。小型鋰電池組只有幾個鋰電池單元,所以熱失控從有問題的電池單元傳播到其他單元的機會相對較低。而波音787巨大的電池組就是另外一回事了:它們裝在密封的金屬盒里,不能排放余熱,當一個電池單元熱到足以點燃電解質時,其余的電池單元就會迅速跟進。

      電池充電時,金屬鋰的表面沉積非常容易聚結成枝杈狀鋰枝晶,從而刺穿隔膜,造成正負極直接短路。而且,金屬鋰非?;顫?,可直接和電解液反應放熱,其熔點又很低,即使表面金屬鋰枝晶沒有刺穿隔膜,只要溫度稍高,金屬鋰就會溶解,從而引發短路。材料發生氧化還原熱反應的溫度越高,表明其氧化能力越弱,正極材料的氧化能力越強,發生反應就越劇烈,也越容易引發安全事故。

      動力電池是能源系統,工作一定會發熱。要保障絕對安全,必須從工程上,有可靠技術來保障它的發熱是可控的。

      鋰離子電池熱失控過程

      電池熱失控都是由于電池的生熱速率遠高于散熱速率,且熱量大量累積而未及時散發出去所引起的。從本質上而言,“熱失控”是一個能量正反饋循環過程:升高的溫度會導致系統變熱,系統變熱后溫度升高,又反過來讓系統變得更熱。不嚴格的劃分,電池熱失控可以分為三個階段:

      第1階段:電池內部熱失控階段

      由于內部短路、外部加熱,或者電池自身在大電流充放電時自身發熱,使電池內部溫度升高到90℃~100℃左右,鋰鹽LiPF6開始分解;對于充電狀態的碳負極化學活性非常高,接近金屬鋰,在高溫下表面的SEI膜分解,嵌入石墨的鋰離子與電解液、黏結劑會發生反應,進一步把電池溫度推高到150℃,此溫度下又有新的劇烈放熱反應發生,例如電解質大量分解,生成PF5,PF5進一步催化有機溶劑發生分解反應等。

      第2階段:電池鼓包階段

      電池溫度達到200℃之上時,正極材料分解,釋放出大量熱和氣體,持續升溫。250-350℃嵌鋰態負極開始與電解液發生反應。

      第3階段:電池熱失控,爆炸失效階段

      在反應發生過程中,充電態正極材料開始發生劇烈分解反應,電解液發生劇烈的氧化反應,釋放出大量的熱,產生高溫和大量氣體,電池發生燃燒爆炸。

      電池熱失控的預測

      美國德克薩斯大學阿靈頓分校的KrishnaShah對鋰離子電池熱失控現象進行了分析,并建立了一套鋰電池組熱失控的預測機制,對于鋰電池的安全設計具有重要的參考意義。相關研究顯示,鋰離子電池熱失控過程主要由一下反應組成:SEI膜分解,電解液和粘結劑發生反應,電解液和正極活性物質發生分解。

      影響鋰離子電池熱失控的因素可以分為兩個,一個是電池內部的產熱速率,另外一個是鋰離子電池的散熱速率。傳統的熱分析工具,一般假設鋰離子電池的產熱在整個體積內是均勻的,因此這些工具分析認為熱失控與電池的熱導率無關,這與鋰離子電池在實際中的情況是不同的,因此預測結果也是不準確的。研究顯示,即使在26650電池內部也存在這很大的熱梯度,因此傳統的方法和工具無法來準確預測電池內部和外部的熱狀態。

      總之,在熱失控擴展和抑制方面,研發人員要從安全保護設計和電池管理兩個方面著手。無論鋰電池組的大小都需要定期保養以延長其壽命,所有的鋰離子電池組通常都應該每36個月左右就更換一次。而且,每當電量降到20%的時候,你就應該對它進行充電,過度放電會損壞鋰電池,從而增加“熱失控”及其他事故的可能性。

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