前言
近年來，伴隨電動汽車行業(yè)的快速發(fā)展，國家相關(guān)補貼政策也對電動汽車的電池能量密度和續(xù)航里程提出了更高的要求[1]。受產(chǎn)業(yè)政策要素引導，鋰電池單體也不斷向大容量和高比能量發(fā)展。目前400公里以上的續(xù)航里程為行業(yè)主流，且市場占有率逐步提升，電池能量密度在160 Wh/kg以上的車型的市場份額也在同步增長[2]。此外，“大電芯”還具有生產(chǎn)及應(yīng)用綜合成本更低、BMS管理更便捷等優(yōu)勢。在此背景下，大容量高鎳三元電芯成為動力電池的重要發(fā)展方向之一。
電池單體的大型化為單體熱失控研究帶來了新的挑戰(zhàn)。市面上常規(guī)的電池絕熱量熱儀抗爆能力不足，測試大容量高鎳電池存在安全風險，導致這類電池的熱失控數(shù)據(jù)不易獲取。針對上述問題，杭州仰儀科技有限公司開發(fā)的BAC-420A大型電池絕熱量熱儀采用彈簧鎖扣結(jié)構(gòu)優(yōu)化了量熱儀的頂蓋和爐體的連接設(shè)計，以便于在電池熱失控階段進行快速泄壓，從而提高儀器的抗爆性能。
本文利用BAC-420A，在經(jīng)典HWS（加熱-等待-搜尋）模式下測定得到了190Ah NCM 811電芯的絕熱熱失控數(shù)據(jù)，并初步辨識了大容量高鎳電芯的熱失控危險特性。
實驗部分
1. 樣品準備
電池樣品：190Ah NCM 811方殼電芯（100%SOC）。
2. 實驗條件
實驗儀器：杭州仰儀科技有限公司BAC-420A大型電池絕熱量熱儀、電池充放電設(shè)備、TP-700多通道測試儀；
試驗環(huán)境溫度：28℃；
采樣頻率：1-100Hz；
溫度控制模式：HWS-R模式；
自放熱檢測閾值：0.02℃/min;
熱電偶固定位置：大面中心點、電池正極極耳、負極極耳、泄壓閥上方30mm。
圖1 (a)BAC-420A大型電池絕熱量熱儀和(b)電池樣品安裝示意圖
實驗結(jié)果
1. 絕熱熱失控曲線
圖2 190Ah電池熱失控(a)溫升/電壓-時間曲線和(b)溫升速率-溫度曲線
大容量高鎳電芯達到熱失控起始溫度后具有極高的能量釋放速率。如圖2所示，在儀器上蓋被頂起泄壓的情況下，電池表面熱失控最高溫度Tmax仍然能夠達到約1100℃，最大溫升速率超過10000℃/min，明顯高于磷酸鐵鋰和中低鎳NCM電池的數(shù)據(jù)。
圖3 190Ah電池熱失控過程防爆箱(a)外部和(b)內(nèi)部畫面
通過視頻監(jiān)控可以發(fā)現(xiàn)，190Ah電芯在熱失控階段發(fā)生了猛烈的煙氣噴發(fā)和火焰噴射現(xiàn)象。此外，據(jù)實驗現(xiàn)場觀察，雖然儀器無損傷，但電芯爆炸引發(fā)的氣流沖擊能夠?qū)?米外的物體造成明顯的破壞力。因此，進行大容量高鎳電芯測試，為確保安全實驗室必須具備足夠的泄爆面積。
結(jié)論
本文利用BAC-420A大型電池絕熱量熱儀測量了大容量高鎳鋰電池單體的熱失控參數(shù)。相關(guān)數(shù)據(jù)可用于此類電池的熱失控風險評價以及熱管理系統(tǒng)設(shè)計，提高電動汽車、儲能電站、民用航天等應(yīng)用場景的安全性。
參考資料：
[1] 2022年新能源汽車推廣補貼方案[EB/OL]. www.gov.cn,2021-12-31.
[2]新能源乘用車動力電池續(xù)航里程發(fā)展趨勢分析[DB/OL]. www.autoinfo.org.cn,2021-06-18.
