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欧阳明高:热失控的特征温度与控制方法

2019-10-09 16:06:57  来源:中国汽车时报网     编辑:郑叶艳

10月7日,由清华大学电池安全实验室主办的第三届国际电池安全研讨会在北京召开。

在“为电动汽车制造更安全的高比能电池”的主题下,中国科学院院士、清华大学教授欧阳明高重点围绕动力电池热失控的机理与控制方法进行了探讨。

众所周知,安全是电动汽车的重中之重,一旦在电池中诱发了热失控之后,会在整个电池系统中间蔓延,形成安全事故。通过经过大量实验研究,电池热失控有三个特征温度,自生热起始温度 T1,热失控引发温度 T2、热失控最高温度 T3,而T2是最为关键的的因素。研究发现,正极释氧、负极析锂、隔膜崩溃是引发T2的主要原因。

对此,可以从几个方向上入手来抑制热失控。第一,内短路和控制内短路的方法,即BMS。第二,正极析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。

欧阳明高指出,如果上述三种机理与控制方法都不能有效解决问题,那么嗨可以采取抑制热蔓延的方式,防止安全事故的发生。

具体来看,第一,导致内短路和BMS的原因较多,例如碰撞等机械原因导致的隔膜撕裂;过充导致的枝晶析锂,刺破隔膜;过热导致的隔膜崩溃等。这些都与内短路有关,只是内短路的程度不一样、演变的过程不一样,但是最后都会到隔膜的崩溃和熔化。

因此可以利用加热量热仪和DSC两种联合起来,一个是从材料的放热来解释它的机理,一个是从加热量热对整个单电池进行热失控实验,把热失控的实验跟材料放热特性联合起来分析。

第二,正极析氧引发的热失控和电池的热设计。实验显示,没有内短路照样有热失控,把电解液去掉,照样有热失控。实验证明产热来自正极析氧与负极反应的剧烈放热。对此,可以基于数据库对材料进行改进,重点的改进主要是两条:一是正极材料的改进,二是电解质。首先,从多晶到单晶就可以使析氧的温度提升100度,可以看出热失控的特性也变了。其次用高浓度电解质。

我们认为下一步的电解质,不仅仅是固态电解质,更多的是从电解液的添加剂、高浓度电解质、新型电解质大有可为。

第三,关于析锂和充电控制。电池全生命周期安全性中间最主要的影响因素就是析锂,如果没有析锂,衰减的电池安全性并不会变差。快充之后,热失控发生的更早、更快。这是什么原因呢?同样是析锂,可以看出,析锂多的、析锂少的明显不一样。析锂多的放热量大,所以仍然是析锂,析出锂会直接跟电解液发生剧烈反应,引发大量温升,可以直接诱发热失控。能否在充电的过程中不析锂?能够在充电中尽可能杜绝析锂,这就要求助于模型。通过简化的P2D模型可以推导出不析锂的充电的曲线,让它负极电势始终不低于零,可以得到无析锂的最佳充电曲线。

第四,抑制热失控蔓延。蔓延有可以预期的蔓延、还有突然的蔓延,比如喷火,这是喷发到喷火到剧烈的喷火、最后导致剧烈的燃烧,而这些问题都需要进一步解决。

编辑:蒙轩

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