老化對(duì)于動(dòng)力電池安全性有哪些影響

就像人出生后就在開始慢慢變老一樣，動(dòng)力電池自化成分容量后就開始了老化過程，時(shí)間永遠(yuǎn)是把殺豬刀。老化對(duì)于動(dòng)力電池安全性的影響一直是很重要的話題。有沒有可能出現(xiàn)新鮮電池安全性很好，能通過過充、加熱等各項(xiàng)安全測試，而老化后電池安全性變差的情況呢？這是很多人都關(guān)心的問題。

一． 錳酸鋰（LiMn2O4）軟包電池存儲(chǔ)老化后熱穩(wěn)定性測試

表1． 實(shí)驗(yàn)用LiMn2O4軟包電池信息

圖1． 電池?zé)岱€(wěn)定性測試裝置，其中BTC為battery test calorimete。

實(shí)驗(yàn)所用為LiMn2O4軟包電池，電池具體信息如表1所示。為了加速實(shí)現(xiàn)老化效果，100％SOC電池被分為五組分別在55 ℃存儲(chǔ)了10、20、40、68和90天，隨后在如圖1所示的BTC裝置中進(jìn)行熱穩(wěn)定性測試。BTC裝置采用類似ARC的Heat－Wait－Seek－Track模式，起始溫度40 ℃，步進(jìn)為10 ℃，自產(chǎn)熱速率定義為0．03 ℃／min，實(shí)驗(yàn)停止條件為溫度達(dá)到200 ℃或內(nèi)部壓力超過2 bar。

圖2． 55 ℃存儲(chǔ)電池容量保持率同存儲(chǔ)時(shí)間關(guān)系曲線。

圖3． 隨著存儲(chǔ)時(shí)間延長電池?zé)岱€(wěn)定性變化。

如圖3所示，55 ℃存儲(chǔ)10、20、40、68和90天電池容量保持率分別為92．5％、85．1％、78．5％、71．7％和68．0％。圖3中T1為電池起始產(chǎn)熱溫度，T2為電池電壓下降溫度，T3為電池?zé)崾Э販囟取Ｈ鐖D3所示，隨著存儲(chǔ)時(shí)間增加、電池老化增大，T1和T3均呈現(xiàn)上升趨勢，表明電池的熱穩(wěn)定性逐步增強(qiáng)。

圖4． 55 ℃存儲(chǔ)不同時(shí)間電池在不同溫度下的自產(chǎn)熱速率曲線。

如圖4所示，與圖3結(jié)果類似，隨著存儲(chǔ)時(shí)間的延長同等溫度下老化電池的自產(chǎn)熱速率不斷降低，表明老化后電池的熱穩(wěn)定性確實(shí)提高。作者推測原因可能是：（1）老化過程消耗了電池活性材料，導(dǎo)致熱失控階段活性材料量減少；（2）老化形成的非活性層覆蓋住了部分活性位點(diǎn)，使得熱失控過程副反應(yīng)程度降低。

二． NCA18650電池存儲(chǔ)或循環(huán)老化后加熱產(chǎn)熱量和產(chǎn)氣量分析

表1． 實(shí)驗(yàn)所用的三種NCA18650電池相關(guān)信息。

圖1． 老化后電池加熱測試裝置圖［3］： （a）電阻絲加熱爐；（b）熱電偶；（c）惰性氣體入口；（d）放氣口；……

圖2． NCA 18650電池加熱熱失控概覽。

本實(shí)驗(yàn)所用為NCA18650電池，其中NCR18650BF和INR18650－35E質(zhì)量、容量和能量幾乎一致，但前者用于低功率而后者用于高功率；ICR18650HE4的容量和能量相對(duì)較低。18650電池分別用循環(huán)和存儲(chǔ)兩種方式進(jìn)行老化直至容量衰減至80％SOC，其中存儲(chǔ)老化溫度為60 ℃。老化后的電池滿充后在如圖1所示的裝置中進(jìn)行加熱測試，NCA 18650電池加熱熱失控的大致特征如圖2所示。

表2． 三種不同電池新鮮狀態(tài)（Status a）、循環(huán)老化后（Status b）和60 ℃存儲(chǔ)老化后（Status c）加熱測試特征對(duì)比。其中TVENT為首次開閥溫度，TONSET為電池自產(chǎn)熱溫度，TTR為開始熱失控瞬間溫度，TMAX為熱失控過程最高溫度。

表3． 三種不同電池新鮮狀態(tài)（Status a）、循環(huán)老化后（Status b）和60 ℃存儲(chǔ)老化后（Status c）加熱測試特征詳細(xì)對(duì)比。

表2和表3對(duì)比三種不同電池在新鮮狀態(tài)（Status a）、循環(huán)老化后（Status b）和60 ℃存儲(chǔ)老化后（Status c）加熱測試的特征。其中，ICR18650HE4電池高溫存儲(chǔ)老化后加熱未發(fā)生熱失控。從表3可以看出，相比新鮮電池，循環(huán)老化和高溫存儲(chǔ)老化后的電池在開閥和熱失控過程的熱交換均有所降低。ICR18650HE4電池老化后無論是產(chǎn)氣量還是放熱量較新鮮電池均有顯著降低，且無論哪種狀態(tài)ICR18650HE4電池的產(chǎn)氣量和放熱量均是最低的。新鮮狀態(tài)下，NCR18650BF的開閥產(chǎn)氣量低于INR18650－35E，而按兩種方式老化后則是NCR18650BF的開閥產(chǎn)氣量高于INR18650－35E。更為重要的是，從總產(chǎn)熱量看，高溫存儲(chǔ)老化后電池的產(chǎn)熱量更低，表明高溫存儲(chǔ)老化后電池的熱穩(wěn)定性更高。

圖3． 三種不同電池新鮮狀態(tài)（Status a）、循環(huán)老化后（Status b）和60 ℃存儲(chǔ)老化后（Status c）加熱測試開閥（左圖）和熱失控（右圖）特征對(duì)比。

圖3柱狀圖清晰顯示高溫存儲(chǔ)老化后電池的產(chǎn)熱量更低，結(jié)果與表3相一致。開閥時(shí)刻產(chǎn)氣量沒有特別顯著的規(guī)律，但熱失控產(chǎn)氣量非常接近。

圖4． 三種不同電池新鮮狀態(tài)（Status a）、循環(huán)老化后（Status b）和60 ℃存儲(chǔ)老化后（Status c）加熱氣體成分對(duì)比。

圖4的信息量非常大，需要仔細(xì)琢磨。現(xiàn)重點(diǎn)分析NCR18650BF和INR18650－35E兩款電池在不同狀態(tài)首次開閥時(shí)的氣體特征。在新鮮狀態(tài)，兩款電池首次開閥釋放的氣體均為CO2。循環(huán)老化后首次開閥，NCR18650BF釋放的還是CO2，而INR18650－35E釋放的氣體除了CO2，還有H2、CH4、CO等。高溫存儲(chǔ)老化后NCR18650BF釋放的大部分是C2H2，剩下的為CO2；而INR18650－35E釋放的氣體中CO2和C2H2分別各占40％，CH4占到20％。

三． 結(jié)論

（1）從以上文獻(xiàn)報(bào)道來看，老化后電池的熱穩(wěn)定性確實(shí)有所提高，特別是高溫存儲(chǔ)老化；

（2）以上分析均是通過加熱方式觸發(fā)，電和機(jī)械方式觸發(fā)電池?zé)崾Э氐谋憩F(xiàn)有待進(jìn)一步對(duì)比研究；

（3）新鮮電池和老化后電池在濫用測試中的表現(xiàn)有待深入研究，特別是熱穩(wěn)定性上的差異是否會(huì)對(duì)測試能否通過產(chǎn)生決定性影響。