欧阳明高:改进正极材料和电池包可有效抑制热失控
发布时间:2019-10-10 13:25:00
关键词:动力电池锂电池

一直以来,动力电池安全对于现代出行来说都是非常重要的一个因素。目前,全球动力电池业、电动汽车业、可再生能源汽车业都处在快速发展的关键时期,因此,动力电池的安全问题以及安全风险控制也成为当前全球关注的要点。


在日前举办的“第三届国际电池安全研讨会(2019IBSW)”上,与会各方就电池热失控机-电-热诱因及防控方法、电池热失控发生机理与抑制方法、电池燃烧爆炸特性及火灾安全、电池系统热失控蔓延与热管理、电池析锂与快充安全、固态电池安全性问题等内容进行了深入的探讨和交流。


欧阳明高:改进正极材料和电池包可有效抑制热失控

图为中国科学院院士欧阳明高发表主题演讲


电池中国网作为战略合作媒体受邀出席本次会议,并从会上了解到,中国科学院院士、清华大学教授欧阳明高团队在全球率先对大容量动力电池进行了ARC(绝热热失控)试验,发现了电池热失控的三个特征温度和发生机理。在10月8日的研讨会上,欧阳明高院士对热失控和热蔓延的控制研究进展作了详细介绍。


据欧阳明高介绍,清华大学新能源动力系统课题组作为国家新能源汽车重点专项主要的研发团队之一,及中美清洁能源汽车合作中方的牵头团队,目前的研究方向主要集中在动力电池、燃料电池和混合动力三个方面。


欧阳明高表示,大量实验研究表明,电池热失控具有三个特征温度,分别为:自生热起始温度T1、热失控引发温度T2、热失控最高温度T3。欧阳明高指出,“为什么由一个缓慢的升热会突然引发急剧的升热,且升热速率可以达到1000度/秒甚至以上,这才是引发热失控的关键”。通过对T2的探究发现,正极释氧、负极析锂、隔膜崩溃,这三个原因是最终引发热失控形成T2的主因。


针对以上三种机理,欧阳明高介绍了其团队在机理方面及热失控控制方面的研究进展:第一,内短路和控制内短路的方法,就是BMS;第二,正极释氧引发的热失控和电池的热设计;第三,负极析锂跟电解液的剧烈反应导致的热失控以及充电控制。如果这三个机理、三种技术都不能解决热失控问题,最终还可以通过抑制热蔓延来防止安全事故的发生。


针对内短路问题,欧阳明高表示,目前碰撞类的机械方式,充电过充、枝晶析锂、枝晶刺破隔膜,过热导致隔膜崩溃等都会诱发内短路,其中内短路的程度不一样、演变的过程不一样,但最后都会导致隔膜崩溃和熔化。隔膜的熔化会导致内短路,从升温开始到隔膜崩溃就会形成T2,直接引发热失控,他也认为,这是一种较为普遍的原因。


关于主要的内短路类型,欧阳明高认为,有些内短路可以立即引发热失控,但是有些内短路是缓慢演变的;有些内短路可能不危险,但有些内短路在演变之后会很危险;有一些内短路是一直缓变,还有一些内短路从缓变到突变…… 他表示,对于演变型内短路的演变规律,第一个过程主要是电压下降,而到第二个过程才会有温升,最后形成热失控。


他同时表示,没有内短路仍可能会有热失控的情况。随着隔膜性能的不断增强、正极三元材料镍含量不断提高、释氧温度不断下降,正极材料热稳定性也会随之降低,薄弱环节反而会向正极材料转移。这也需要正极材料企业和电池制造企业加以关注。


欧阳明高表示,实验中即使将电解液去掉,电池依然会发生热失控。正极和负极结合的时候,负极被氧化,正极释氧与负极反应剧烈放热,因此可以将重点放在正极材料和电解质方面,进而改变热失控的特性。未来除固态电解质外,电解液的添加剂、高浓度电解质、新型电解质对解决热失控问题都将有更大的提升空间。


在析锂和充电控制方面,欧阳明高表示,全生命周期安全性中最主要的影响因素就是析锂,如果没有析锂衰减,电池安全性并不会变差。同样是析锂,析锂的多、少导致的结果明显不一样,析锂多的放热量大,析出锂会直接跟电解液发生剧烈反应,引发大量温升,将直接诱发热失控。


研究发现,通过简化的P2D模型,可推导出不析锂的充电曲线,如保持负极电势始终不低于零,便可得到无析锂的最佳充电曲线。并通过三电极标定这条曲线,利用这个算法可实现不析锂,但他强调这只是一个标定过程,随着时间的延长,电池的衰减性能还是会发生改变。


对于热失控的蔓延及抑制方法,欧阳明高团队通过温度场的测试发现,并联电池组的蔓延过程是一节一节的,当第一个电池热失控之后发生短路,所有的电都会往第一节电池这边来,所以造成电池组电压下降,一旦断开后电压又回去了,这就是并联热失控的特征。而串联电池组热失控刚开始是有序的蔓延,最后是剧烈蔓延,不仅仅是传热,还会引发爆炸、燃烧等事故发生。


因此,欧阳明高强调电池包的设计尤为重要,按照仿真参数标定的模型可进行隔热设计。而电池只隔热还远远不够,同时还要配合散热设计,通过隔热将传热挡住,通过散热将能量带走。实验过程中,在同样的测试条件下,带防火墙的电池包相较于传统电池包,没有燃烧,也没有热蔓延。


目前,电池仍是电化学能源储存系统、特别是电动汽车当中最重要的组成部分。全球电池的产量也已经在2018年超过了106GWH,其中60%的产量来自中国。同时,在高能密度锂离子电池的发展方面上中国也位居前列。目前三元单体电芯已经实现300Wh/kg,到2020年电池组能量密度可以达到200Wh/kg。但是电化学特别是高电能可能会存在相应的热失控风险,也在一定程度上降低了电动汽车的市场接受度。相信在全球各国专家、学者的共同努力下,将会很快找到电池安全事件的机理,并找到一系列措施来有效解决电池安全问题。


第四届动力电池应用国际峰会CBIS2019

作者: 谢鑫      稿件来源: 电池中国网
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