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欧阳明高:动力电池热失控机理及防控研究进展【首页】

编辑: 来源: 创发布时间:2020-12-19阅读次
  

首页|转入2019年4月以来,电动汽车自燃事件屡屡再次发生。特斯拉在上海、中国香港、旧金山、比利时等地屡屡再次发生车辆燃烧事件,而蔚来ES8亦在短短两个月内经常出现了三次燃烧事故。此外,根据国家市场监督总局的数据表明, 2018年,我国最少再次发生了40起牵涉到电动汽车的火灾事故。为此,电动汽车特别是在是动力电池安全性问题引起行业高度注目,而动力电池安全性本质则是电池热失控。

那么造成动力电池热失控的主要原因有哪些?而对于电池热失控情况下?针对此,6月23日,在由青海省人民政府、工业和信息化部、科学技术部、中国电动汽车百人不会主办的中国(青海)锂产业与动力电池国际高峰论坛上,中国科学院院士、中国电动汽车百人不会继续执行副理事长欧阳明低展开了详尽阐释。中国科学院院士、中国电动汽车百人不会继续执行副理事长 欧阳明高据理解,为了解决问题动力电池安全性问题,欧阳明低所在单位清华大学较早于创建了电池安全性实验室,积极开展动力电池安全性防控研究。实验室在大大测试过程中,提炼出了电池热失控的三个特征温度,自生热的接续温度T1和热失控的启动时温度T2,以及热失控的最低温度T3。

并基于这些测试全面说明了了三种热失控启动时机理:第一种是负极析活性锂,第二种是内短路,第三种负极释活性氧。基于这三种热失控机理,发展了动力电池热失控主动安全性防控技术,还包括电池电池析锂与慢差使掌控、电池内短路与电池管理、单体电池热失控与热设计,电池系统热蔓延到与热管理。以下是欧阳明低教授对于这四部分的详尽介绍。

电池电池析锂与慢差使掌控近期再次发生的电池事故的分析表明,主要是失当较慢电池或过差使引起电池析锂,造成热失控温度大幅上升,从219℃上升到107℃,并与电解液轻微反应,造成电池在107℃再次发生热失控。通过实验密切相关找到,在慢差使的时候需要显著显现出析锂的产生,并通过对析锂机理展开研究,找到了析锂的原始过程,还包括电池电池过程负极表面锂两县和新的映射,两县过程就是负极零电位之后构成,在电池暂停电池之后,电位不会完全恢复到零电位以上,这个时候不会新的映射,然后所有的共轭锂皆几乎沉淀,负极仍然再次发生反应。我们对这个机理创建了建模模型,在常规电池定二维(P2D)模型基础上重新加入析锂反应的过程,并在此基础上,展开了建模和检验。

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从建模结果看,可以顺利仿真电池析锂后电池静置过程中的电压平台,这个平台是新的映射的过程。对上述电压平台展开微分处置,可以定量获得整个析锂全过程的时间。以这个时间为一个变量,我们可以创建经验公式计算出来出析锂量。

在此基础上,我们展开了无析锂安全性慢差使研究。首先,创建了准二维电化学机理模型,用作预测负极电位,并以此为基础获得拟合电池曲线的解析表达式,接着以电池负极定位为一个基准,特一个校验量,可以推论出有电池拟合的充电电流。以此为基础,我们可以展开拟合电池的掌控,以基于模型的负极电位观测器为基础,可以把负极电位观测出来的电位,跟参照电位展开较为,通过调整充电电流使这个电位差渐趋零可以构建无析锂的慢差使。

上述模型不会随着电池的波动,构成误差,仿真结果有可能不一定精确。所以,我们在此基础上研发新型的参比电极,必要对系统负极电位,传统参比电极寿命很短,我们研发了新型的参比电极,寿命多达5个月,并且还在之后优化,期望参比电极的使用寿命尽量缩短,确实做需要作为传感器用于。在没构建装车传感器应用于之前,我们应用于电池算法的标定,可以节省大量时间,因为传统的电池算法标定每次都要报废观测,应用于参比电极之后可以不必报废,高效率优化电池算法。

目前国内公司的电池算法都过分非常简单,我们跟日产展开过交流,其电池算法是基于大量数据MAP图展开的,所以我们必需也要作好MAP图,使电池算法需要考虑到各种各样的影响因素,这个过程的工作量和实验量是十分大的。为了解决问题这个问题,应用于长寿命的参比电极,以此为基础标定出有尽可能相似于拟合充电电流的电池曲线。电池内短路和电池管理内短路是电池热失控的共性环节,各种各样的原因都有可能产生有所不同类型的内短路,还包括机械变形、断裂、断裂,隔膜裂痕、过充过放、极端短路。

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更加危险性的一种内短路是自引起内短路,如波音787的事故,是在生产过程中引进的杂质和颗粒,在长年运营之后积累演进再次发生的。枝晶生长是可以仿真的,而内短路是较难展开实验重现的现象,必须发展各种各样的替代实验方法。我们发明者了一种新的替代实验方法展开内短路的仿真测试,主要是将特制的具备棘刺结构的记忆合金内短路启动时元件植入电池内部,加剧使棘刺结构下垂并刺入隔膜,仿真内短路过程。

通过该实验找到主要的内短路类型还包括,铝-铜、负极-铜、铝-负极、负极-负极等四种电路。其中有的是立刻再次发生热失控,如铝和负极的认识;而负极和负极认识一般会再次发生热失控;铝和铜认识的危险性程度也较为低,但是不一定立刻引起内短路。

我们对热失控内短路创建建模模型,其中很最重要的是内短路方位的熔断,这种熔断有可能造成整个内短路中止,也有可能造成更加轻微的内短路再次发生。为此,我们对影响这种熔断的各种参数展开了分析。

我们对整个内短路再次发生演进的过程展开了综合分析和总结,在此基础上,明确提出为避免再次发生热失控,必需要在早期阶段将内短路检测出来。讲解其中的一种方法,是对串联电池组的内短路检测方法,主要基于一致性差异展开临床。明确来看,可以创建有内短路和没内短路的等效模型,基于这个等效模型和平均值差异模型展开在线参数估计,有内短路之后电位和等效电阻再次发生了变化,我们对这两个参数展开了参数识别,最后可以找到到底是哪一个单体经常出现了问题,通过检验试验结果,很显著的需要找到某一个电池有内短路。但算法只是一个基础,在此基础上,我们还要融合大量工程实验数据,最后研发出有了实用化的检测算法。

当然意味着内短路检测是过于的,必须对过差使、过放、SOP等展开综合管理,才有可能构建内短路以及热失控的提早预警,这就是新一代的电池管理系统,是以安全性为核心的全方位状态估算和故障检测。单体电池热失控与热设计隔膜材料再次发生了很多变化,从PE、PP、PE+Ceramic到PET材料,隔膜的耐高温温度早已很高了,可以超过300℃;与此同时,负极材料从早期的LFP,到NCM111、NCM523、NCM622,再行到现在的NCM811,负极材料的释氧温度在逐步减少。随着这两种技术的变化,热失控的机理也在发生变化。

早期电池大多由于隔膜瓦解引起大规模内短路引起热失控,但目前用于的耐高温隔膜配上811负极动力电池,其热失控的机理早已发生变化,负极材料释氧变为了引起热失控的主因。实验结果表明,在没内短路的情况下,把隔膜几乎去除,电解液灌入仍然不会再次发生热失控。当把正负极粉末混合展开测试,不会经常出现轻微的放热反应峰值。

通过更进一步的分析找到,电池态负极材料在250℃左右开始经常出现热力学,并获释活性氧,产生的氧气与负极再次发生反应,敲热量急遽减少,因此在新的电池体系中,正负极水解还原成反应产生大量热量是造成热失控的直接原因,而某种程度是传统电池体系中隔膜瓦解造成内短路引起热失控。基于上述机理分析,对各种电池材料放热反应副反应涉及参数展开测量,再行利用热分析动力学展开分析和参数替代性,最后把所有副反应统合一起就可以对整个热失控过程展开预测。由此,基于精确的电池热失控预测,可用作指导电池安全性设计。

在统计资料多种电池材料体系的热稳定性参数的基础上,可以明确提出一系列电池热失控特性的改良方法,还包括负极改性、负极改性、提高电解液的稳定性、使用热稳定性低的隔膜等,关键在于如何展开人组。这里只展出其中一种方法,对负极材料的形貌优化,将传统三元多晶负极优化为单晶大颗粒结构的三元负极,单晶负极的产氧比多晶负极延后了100℃,热失控最低温度也有所减少。电池系统的热蔓延到与热管理如果前面所有方法都过热,就要从整个系统的角度来考虑到问题。比如轻微撞击或者底盘被锋利物质刺入,不会立刻热失控,这是时有发生的,这种热失控不能从系统层面解决问题。

首先展开热失控蔓延到过程测试,显著显现出电池单体一个接着一个,像放鞭炮一样的热失控。其次,展开了并联电池模组热蔓延到测试,找到并联模组热失控蔓延到的独特特征,即多段V字形电压上升;在实车级电池模组不特诱导的情况下,热失控拓展在电池模组中可呈现出加快效应,并最后造成整个模组轻微燃爆。

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再度,展开热失控喷阀特性测试,在密封定容的燃烧弹中,用高速摄影机记录了热失控火山爆发全过程,从测试中找到了喷气流呈现出了气-液-固三相并存的特征,其中气体首页喷气速度高达137m/s。接着,创建电池模组热失控蔓延到的集总参数热阻模型以及动力电池系统热失控蔓延到三维建模模型,上述模型最好的是如何确认整个热蔓延到过程前后的热物性参数,如果无法确认这些参数,仿真结果不能是漂亮不是好用,我们课题组研发了参数估计的方法,实验和建模可以展开很好的相符。

在此基础上展开了热蔓延到诱导设计,还包括防水设计和风扇设计,防水设计是利用有所不同隔热材料避免模块热蔓延到,风扇设计是有所不同液冷流量对热蔓延到展开诱导。在一般的电池系统中,防水和风扇分开就可以解决问题热蔓延到的过程,但是在新的电池体系中必须把防水和风扇两者融合一起诱导热蔓延到,这就是所谓的防火墙技术。如今,热蔓延到技术早已应用于到国际标准的制订中,目前全球还没统一的热蔓延到标准,中国迅速不会引进热蔓延到标准。热蔓延到是造成安全事故的最后一道防线,我们必需把好这道最后防线,并力争将中国经验推展到全球,沦为全球性的法规。

最后做到一下总结:热失控还包括诱因、再次发生和蔓延到三个过程,诱因主要有两个,一是过差使、慢差使、老化电池、低温电池等造成的析锂,二是各种原因造成的内短路。从系统本身安全性和材料体系的角度,展开单体电池热安全性设计,在其他方法不不切实际的情况下展开热失控蔓延到的诱导。

展望未来锂离子电池能量密度不会之后提升,300Wh/kg的能量密度早已超过了,体积和能量都提高是不可逆转的趋势。在这种情况下,对安全性防控的技术拒绝不会更加低,我们要着力解决问题锂离子电池的安全性问题,发展出有更为安全性的锂电池,确保电动汽车车产业的成功发展。在此基础上,国家新能源汽车重点专项的专家组也构成了下一步锂离子动力电池技术路线图,这个是在2年前作出的,我们还可以之后用于它,要构成安全性的高比能量电池,从负极材料看,从目前的低镍三元发展到丰锂锰基材料,锂离子电池负极材料还有相当大的发展空间。

从负极看作,当前的重点是硅碳负极,下一步逐步提高硅的比例,当硅的比例提升到一定程度时,慢差使问题也不会迎刃而解。目前更加最重要的是电解液和隔膜,其中电解液必须减少添加剂,与负极和负极构成界面,用来妨碍负极失氧和负极析锂,而液体电解质还必须一定的时间发展。。

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