高溫老化對(duì)于鋰離子電池安全性的影響

時(shí)間:2020-05-10 15:24來(lái)源:新能源Leader 作者:憑欄眺
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       安全問(wèn)題對(duì)于鋰離子電池而言的重要性不言而喻,鋰離子電池在正式生產(chǎn)前都要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的安全測(cè)試,確保極端使用情況下的安全性。然而鋰離子電池實(shí)際上是一種亞穩(wěn)態(tài)的體系,在使用的過(guò)程中由于電解液與正負(fù)極界面的副反應(yīng)的存在,會(huì)導(dǎo)致壽命末期鋰離子電池的熱特性、電特性都發(fā)生顯著的改變,因此鋰離子電池的熱穩(wěn)定性也會(huì)必然會(huì)隨著鋰離子電池的老化而持續(xù)變化。雖然我們對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э剡M(jìn)行了大量的研究,但是主要還是集中在壽命初期的“新鮮”電池上,對(duì)于壽命末期的電池的熱失控研究還相對(duì)比較少。
 
       日本長(zhǎng)岡技術(shù)科學(xué)大學(xué)的Shuichi Taniguchi(第一作者)和Minoru Umeda(通訊作者)與日本航空航天局對(duì)高溫老化對(duì)鋰離子電池?zé)岱(wěn)定性的影響進(jìn)行了深入的研究和分析。
 
       實(shí)驗(yàn)中采用的電池為來(lái)自松下公司的CGR18650E電池,其正極為L(zhǎng)iCoO2材料,負(fù)極為石墨材料,電池的額定容量為2550mAh,額定電壓為3.7V。將電池調(diào)整到不同的SoC后按照下表所示的制度在80℃下進(jìn)行存儲(chǔ)老化試驗(yàn),從表中能夠看到100%SoC存儲(chǔ)的C5電池老化程度要明顯大于0%SoC存儲(chǔ)的C1電池。
       老化后的電池采用加速量熱儀(ARC)對(duì)電池的熱穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試主要分為三個(gè)步驟,首先是加熱,ARC設(shè)備按照5℃的溫度間隔進(jìn)行升溫,升高到某一溫度后,進(jìn)入到下一步:熱平衡,這一過(guò)程大約持續(xù)30min,使得電池與環(huán)境達(dá)到熱平衡,然后進(jìn)入搜尋步驟,如果電池的升溫速度超過(guò)0.05℃/min,則表明電池開(kāi)始自發(fā)熱模式,ARC啟動(dòng)絕熱模式,如果電池的升溫速度超過(guò)1℃/min,則表明電池進(jìn)入到了熱失控狀態(tài)。
 
       下圖為表1所示的80℃高溫老化后的電池在不同SoC狀態(tài)的ARC測(cè)試結(jié)果,從下圖a能夠看到在0%SoC狀態(tài)下,ARC測(cè)試中率先達(dá)到200℃的電池為C5,隨后是C4和C3,然后是C2,最后是C1,表明在0%SoC狀態(tài)下老化越嚴(yán)重的電池?zé)岱(wěn)定越差,同樣我們?cè)?5%SoC狀態(tài)下也觀察到了這一現(xiàn)象,但是隨著SoC進(jìn)一步提高到50%、75%和100%后,熱穩(wěn)定性與電池的老化程度之間就沒(méi)有明確的關(guān)系了。
       為了進(jìn)一步分析老化程度對(duì)電池?zé)岱(wěn)定性的影響,作者繪制了溫升速率曲線圖,從下圖a中能夠看到對(duì)于電池C4和C5熱失控開(kāi)始溫度(溫升速率>1℃/min)為170℃,電池C1、C2和C3熱失控開(kāi)始溫度為180℃;在25%SoC狀態(tài)C1-C5電池的熱失控開(kāi)始溫度基本都在180℃,在50%SoC狀態(tài)下,C5電池?zé)崾Э亻_(kāi)始溫度為160℃,而其他電池的熱失控開(kāi)始溫度則為175℃;75%SoC狀態(tài)下,C5電池的熱失控考試溫度為170℃,其他電池為160℃;100%SoC狀態(tài)下所有電池的熱失控開(kāi)始溫度都在150℃左右。
 
       從這里不難看出,電池的SoC狀態(tài)對(duì)于電池的熱穩(wěn)定性影響最大,隨著電池SoC狀態(tài)的提高,電池的熱失控開(kāi)始溫度顯著降低。電池老化程度對(duì)熱失控溫度的影響主要取決于電池的SoC狀態(tài),0%SoC狀態(tài)下老化程度大的電池?zé)岱(wěn)定性較差,在75%SoC狀態(tài)下老化程度較大的電池反而熱穩(wěn)定性較高。
       為了使得各個(gè)老化程度的電池的熱失控溫度、自發(fā)熱溫度的對(duì)比更加直觀,作者將其畫成了柱形圖(如下圖所示),其中藍(lán)色部分為無(wú)自發(fā)熱區(qū)域,黃色部分為自發(fā)熱區(qū)域,紅色部分為熱失控區(qū)域。通過(guò)對(duì)比自發(fā)熱和熱失控區(qū)域的黃色和紅色條的長(zhǎng)度就能夠直觀的對(duì)比電池的熱穩(wěn)定性,紅色和黃色區(qū)域越長(zhǎng)則表明電池的熱穩(wěn)定性越差。
       從上面的分析我們不難看出,對(duì)于電池安全性影響最大的還是電池的SoC狀態(tài),SoC狀態(tài)越高,則電池的熱穩(wěn)定性越差,電池發(fā)生熱失控的溫度也就越低。電池老化程度對(duì)于電池安全性的影響較小,且關(guān)系不明顯,在0%SoC狀態(tài)下老化成程度大的電池?zé)岱(wěn)定性差,在75%SoC狀態(tài)下反而是老化程度輕的電池?zé)岱(wěn)性比較差。

 
(責(zé)任編輯:子蕊)
文章標(biāo)簽: 鋰離子電池 電池安全性
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