热处理对锂离子电池热安全特性的影响

随着新能源的迅速发展并广泛应用于各个领域,作为清洁型新能源的主要代表锂离子电池成为近些年来主流能源之一。在其高能量密度、高功率、低自放电率等诸多优点下也隐藏着一些安全性的问题。由于锂离子电池易受外部环境影响,复杂多变的温度环境以及不同外部环境的气压都会对锂离子电池的内部结构产生影响,甚至导致锂离子电池发生燃爆[1-2]。在锂离子电池的实际应用中,研究外部较高温度环境对锂离子电池的刺激所产生的影响成为了一个亟待解决的安全问题。美国国家安全运输委员会NTSB于2013年1月对发生于马萨诸塞州波士顿洛根国际机场的日本航空波音787梦想客机上的辅助动力单元(APU)锂离子电池起火事件进行调查[3-4],研究报告指出机载锂电池运输环境条件的变化及电池本身材料的特性问题导致的内短路而引发的锂离子电池的热失控会对民用航空器造成极为严重的安全性问题[5]。此外美国FAA休斯顿研究中心曾深入研究锂离子电池在运输过程中对飞机货舱组件的破坏性。其近几年来的研究发现运输过程中的锂离子电池极易被很小的能量引发热失控并对货舱造成很严重的破坏[6-8]。英国的Barai等[9]研究人员则对极低荷电状态储存下的锂离子电池的运输安全性进行了深入研究，并指出0% SOC的储存状态是锂离子电池运输的电压稳定窗口。Fabian等[10]则对不同温度处理过程中的锂离子电池产生的气体进行测量与评价。近年来中国的诸多相关学者和机构在锂离子电池储存和运输方面对电池本身的安全性要求做出了广泛而深入的研究。Wang等[11]重点研究了荷电状态和入射热流两个关键因素对电池着火特性的影响,从而分析了锂离子电池在运输和储存中的安全性问题。Chen等[12]则对不同充电状态和热处理条件下的锂离子电池的燃烧行为进行了实验研究,通过分析质量损失、热释放速率等参数进一步研究了锂离子电池的安全性等问题。贺元骅等[13]通过分析锂电池热失控火灾危险特性进而对飞机货舱的灭火系统设计提出改进参考。事实上,高温环境中的锂离子电池在实际应用过程中存在一定的热安全性问题。为了分析不同温度对锂离子电池所产生的影响,实验将对不同温度热处理后的同一荷电状态的锂离子电池进行热失控研究,通过分析比较其热失控过程的温度、电压等参数的变化,进一步研究较高温度环境对锂离子电池内部结构及组分带来的影响,为锂离子电池的安全应用提供科学依据。

1 实验内容

实验在位于四川广汉的中国民用航空飞行学院火灾安全实验室开展。为避免充电电流对数据的影响,实验选取小电流充电至100%SOC的锂离子电池,使用小功率加热线圈将每组锂离子电池分别热处理至60、80、100 ℃。将热处理过后的锂离子电池静置24 h后使用同一功率加热线圈加热使其热失控,获得实验数据。实验布置如图1所示,使用可控功率加热环将其套在电池外侧,加热环通过稳压电源来调节功率。将热电偶丝粘在电池底部来测电池热失控温度,每秒记录一次。电池测试仪的探针通过细铁丝连接电池正负极测电池电压,每秒记录3次。实验选用目前广泛使用的型锂离子电池,容量为2 600 mA·h。触发电池热失控的加热环加热功率定为50 W,为观测实验现象,使用摄像机记录完整实验过程,每组实验重复3次,保证实验数据的准确性。

图1 实验布置Fig.1 Experimental layout

2 实验数据与分析

实验结束后,通过无纸记录仪取得同一荷电状态热处理至不同温度的锂离子电池热失控温度数据,通过电池测试仪测得电池电压数据,使用充放电仪器进行充放电取得电池热处理过后的电压微分曲线图。由于每组电池所设定的状态不一致,因此得出的热失控温度数据、电池的电压数据以及热失控时实验现象都会存在规律性的差异。将同一荷电状态下的以不同温度热处理过的电池热失控后的温度、电压数据分别作图对比,研究在以上不同条件下的电池热失控电压变化、最高温度以及实验过程中各阶段的实验现象进而得出实验结论。下面就上述问题进行分析。

2.1 不同热处理温度对电池热失控温度的影响

锂离子电池热失控过程中,不同荷电状态及充放电过程会对锂离子电池热失控温度产生明显影响[14]。同荷电状态不同温度热处理过后的锂离子电池热失控温度也会具有明显差异,温度曲线如图2所示。从图2中可以看出，在100% SOC下,电池热处理至不同温度后热失控所达到的最高温度区别明显,热处理至60 ℃的锂离子电池在热失控时所达到的最高温度明显低于热处理至80 ℃的锂离子电池,与之形成明显对比的是热处理至100 ℃的电池热失控时所达到的最高温度显然低于60 ℃和80 ℃热处理过的锂离子电池。

文章来源：《材料热处理学报》 网址: http://www.clrclxbzz.cn/qikandaodu/2021/0120/452.html