基于應(yīng)變信號(hào)的方殼電池?zé)崾Э丶奥友葑儥C(jī)制與主動(dòng)預(yù)警

研究背景

環(huán)境污染、化石燃料急速消耗推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)快速發(fā)展；鋰離子電池以其高能量，長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)及儲(chǔ)能電站。隨著電動(dòng)汽車(chē)的普及、推廣，消費(fèi)者對(duì)續(xù)航里程、快充能力的需求不斷提升，高比能電池被提出并大量應(yīng)用。隨之而來(lái)的是安全事故的增加，電池安全已經(jīng)成為制約電動(dòng)汽車(chē)推廣的重要因素。

傳統(tǒng)測(cè)量手段僅基于電池電流、電壓、溫度等基礎(chǔ)外特性參數(shù)，所能起到的評(píng)估作用有限；隨著鋰離子動(dòng)力電池包逐漸走向高比能化、電池走向大尺寸化，熱、力、電等多方面參量?jī)?nèi)外不一致性、滯后性問(wèn)題日漸凸顯；而系統(tǒng)層面氣體傳感器的布置往往在電池?zé)崾Э貒婇y后起作用，無(wú)法在第一節(jié)電池失效前實(shí)現(xiàn)提前監(jiān)測(cè)。因此，如何選擇有效、快捷的參量實(shí)行監(jiān)測(cè)成為電池?zé)崾Э仡A(yù)警的關(guān)鍵。

圖1. 研究技術(shù)路線(xiàn)圖

研究?jī)?nèi)容

本課題為研究不同容量、正極材料的電池?zé)崾Э貞?yīng)變演變特性，設(shè)計(jì)并開(kāi)展了相關(guān)試驗(yàn)。

如圖2所示，基于不同電池?zé)崾Э卦囼?yàn)，得出應(yīng)變共性演變機(jī)制如下：

階段I：穩(wěn)定上升階段（源于早期熱膨脹與產(chǎn)氣積累）；

階段II：疾速上升階段（源于熱失控觸發(fā)劇烈反應(yīng)大量產(chǎn)氣積累）；

階段III：泄壓階段（源于內(nèi)壓積累突破泄壓閥閾值，噴閥泄壓）。

對(duì)各類(lèi)樣品電池，曲線(xiàn)所對(duì)應(yīng)的特征現(xiàn)象如下：

（1）端面應(yīng)變值“拐點(diǎn)”對(duì)應(yīng)“初噴”現(xiàn)象，此時(shí)泄壓閥上方產(chǎn)生電解液蒸汽；

（2）應(yīng)變值驟降泄壓后，泄壓閥上方可燃?xì)怏w產(chǎn)生劇烈燃燒、爆炸現(xiàn)象。

對(duì)樣品C而言，在應(yīng)變驟降時(shí)刻與電壓驟降時(shí)刻幾乎重合，濃烈煙、氣噴發(fā)。

各項(xiàng)監(jiān)測(cè)參量可提供的預(yù)警時(shí)間間隔如表1所示，在此次研究中基于端面應(yīng)變值預(yù)警方法在熱失控觸發(fā)前可提供多達(dá)547.1s的時(shí)間間隔。而隨著大容量電池的廣泛應(yīng)用，基于應(yīng)變信號(hào)所能提供的預(yù)警時(shí)長(zhǎng)更長(zhǎng)，且串行排布系統(tǒng)中任意電池?zé)崾Э赜|發(fā)前均能起到預(yù)警效果。

圖2. 熱失控過(guò)程溫度-電壓-應(yīng)變曲線(xiàn)（a-d. 電池樣品A-C的特征曲線(xiàn)；d-f. 應(yīng)變值變化特征分析）

表1.?不同電池樣品單體熱失控過(guò)程各項(xiàng)監(jiān)測(cè)參量可提供的預(yù)警時(shí)間間隔

如圖3所示，各單體應(yīng)變演變機(jī)制在熱失控蔓延過(guò)程也得到映證。

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圖3. 模組層級(jí)熱失控蔓延過(guò)程應(yīng)變特征曲線(xiàn)及演變機(jī)制

針對(duì)不同鋰離子電池單體/模組熱失控（蔓延）過(guò)程端面應(yīng)變演變機(jī)制，所做數(shù)值分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4。

圖4. 不同鋰離子電池單體/模組熱失控（蔓延）過(guò)程端面應(yīng)變特征統(tǒng)計(jì)示意圖

據(jù)此前研究統(tǒng)計(jì)， NCM523和NCM622正極電池產(chǎn)氣量歸一化數(shù)值分別為1.4-1.5 L/Ah、1.6-1.7 L/Ah。此次研究引入正極材料-產(chǎn)氣量系數(shù)f，針對(duì)NCM523和NCM622正極電池，f取值分別為1.05和1，由此可得此類(lèi)大容量方殼電池?zé)崾Э剡^(guò)程整體應(yīng)變?cè)隽亢碗姵厝萘糠瞎剑?）：

實(shí)時(shí)應(yīng)變變化率如公式（2）所示：

第一、二階段應(yīng)變平均變化率分別如公式（3-4）所示：

第一、二階段應(yīng)變平均變化率-容量公式分別如公式（5-6）所示：

隨電池容量增加，尺寸增大，第一階段應(yīng)變?cè)鏊俨伙@著，應(yīng)變變化率呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)；

而大容量電池活性材料增多，產(chǎn)氣量、產(chǎn)熱量顯著增加，導(dǎo)致端面應(yīng)變值最大增量明顯提升。

熱失控蔓延過(guò)程各節(jié)電池觸發(fā)所導(dǎo)致的最大應(yīng)變?cè)隽坎⑽唇y(tǒng)一呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。

大容量方殼鋰離子電池系統(tǒng)在熱失控過(guò)程呈現(xiàn)“膨脹/內(nèi)壓積累-噴發(fā)泄壓”的演變特征，噴發(fā)后高溫松軟且較空的卷芯部分會(huì)被下一節(jié)失控電池?cái)D壓形變，電池系統(tǒng)中各節(jié)電池彎折形變的方向指向第一節(jié)失控電池，與熱失控蔓延的方向相反，此結(jié)論也可為電池系統(tǒng)事故調(diào)查提供理論依據(jù)及指導(dǎo)。

總結(jié)與展望

1.相較于電池溫度、電壓，采用端面應(yīng)變的熱失控檢測(cè)、預(yù)警效果優(yōu)越性明顯、且成本較低；

2.基于端面壓力的單體熱失控過(guò)程研究,發(fā)現(xiàn)了“初噴”、“爆燃”等過(guò)程演變特性在力學(xué)信號(hào)維度上的新特征；

3.通過(guò)不同容量的鋰離子電池單體/模組熱失控（蔓延）過(guò)程演變特性研究，提煉了電池?zé)崾Э剡^(guò)程最大應(yīng)變總增量-容量的計(jì)算公式及熱失控各階段應(yīng)變平均增長(zhǎng)速率-容量公式；

4.基于端面應(yīng)變的研究為電池系統(tǒng)熱失控及蔓延主動(dòng)預(yù)警、防護(hù)設(shè)計(jì)提供了新的思路。

編輯：黃飛

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