中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：最近的一起發(fā)生在山東日照的特斯拉電動(dòng)汽車碰撞后起火事件，再次引起了人們對(duì)于動(dòng)力電池的安全性問(wèn)題的關(guān)注。電動(dòng)汽車的特殊性使得其對(duì)于動(dòng)力電池在極端情況下的安全性要求很高，因此在動(dòng)力電池的測(cè)試過(guò)程中也包含了嚴(yán)格的機(jī)械濫用情況下電池安全性的考核，例如擠壓、針刺等。
傳統(tǒng)的電池安全性評(píng)估，如擠壓、針刺等僅能對(duì)鋰離子電池的安全性做定性的評(píng)估，測(cè)試結(jié)果也僅有兩個(gè)：通過(guò)和不通過(guò)，我們無(wú)法判斷兩個(gè)通過(guò)測(cè)試的電池哪一個(gè)安全性更高，也不能判斷沒(méi)有通過(guò)測(cè)試的電池哪一個(gè)安全性更差，這極大的降低了這些安全性測(cè)試的參考意義。為了能夠?qū)煽铍姵氐陌踩赃M(jìn)行定量的測(cè)試，建立一個(gè)絕對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)以方便不同種類電池之間相互比較，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Hsin Wang等對(duì)傳統(tǒng)的擠壓測(cè)試設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn)，在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上，給電池施加了一個(gè)扭轉(zhuǎn)力，以減小電池在測(cè)試中受到的破壞，因此能夠?qū)︿囯x子電池的安全性進(jìn)行定量的評(píng)估，Hsin Wang還建立了一套評(píng)分體系，為鋰離子電池的安全性進(jìn)行打分，以方便不同種類的電池能夠相互進(jìn)行比較。
目前能夠模擬鋰離子電池內(nèi)短路的方式有多種，例如針刺測(cè)試，小壓痕測(cè)試，BAJ測(cè)試和機(jī)械擠壓測(cè)試等，通過(guò)對(duì)大尺寸方形電池特點(diǎn)的分析，Hsin Wang認(rèn)為機(jī)械擠壓測(cè)試最適合應(yīng)用方形鋰離子電池的測(cè)試上。但是在傳統(tǒng)的擠壓的測(cè)試中由于電池受到的破壞太大，幾乎所有的電池都會(huì)發(fā)生熱失控，因此傳統(tǒng)的擠壓測(cè)試對(duì)不同種類電池安全性的“分辨率”就很低，只有通過(guò)和不通過(guò)兩種結(jié)果，只能對(duì)鋰離子電池的安全性進(jìn)行定性分析?？赡軆蓚€(gè)電池都沒(méi)有通過(guò)安全性測(cè)試，但是A電池的安全性卻要好于B電池，為了能夠準(zhǔn)確的評(píng)估不同體系電池的安全性能，Hsin Wang對(duì)傳統(tǒng)的擠壓實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)在電池負(fù)極極耳上施加一個(gè)拉力，讓電池產(chǎn)生大約5°的扭曲，從而減少在擠壓過(guò)程中電池受到的破壞，因此該實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驕?zhǔn)確的評(píng)估不同種類電池的的安全性高低。
注解1：電池通過(guò)擠壓的判據(jù)
為了方便讀者理解本文，下圖是給出了LFP電池一個(gè)非常典型的成功通過(guò)機(jī)械擠壓測(cè)試（正反饋）的判據(jù)，電池?cái)D壓變形達(dá)到一定的程度后，引起了電池內(nèi)短路的發(fā)生，電池電壓迅速下降，檢測(cè)到電壓下降后（0.1V），擠壓力隨之被移除，電池的電壓快速回升，電池沒(méi)有發(fā)生熱失控，則電池通過(guò)擠壓實(shí)驗(yàn)。
1.對(duì)LFP電池的安全性評(píng)估
為了測(cè)試上述的改進(jìn)擠壓實(shí)驗(yàn)的效果，同時(shí)評(píng)估LFP電池的安全性（由于LFP電池安全性較好，因此僅測(cè)試了風(fēng)險(xiǎn)最高的100%SoC狀態(tài)），Hsin Wang針對(duì)100%SoC的LFP電池分別進(jìn)行了僅有擠壓測(cè)試（左側(cè)）和在擠壓的過(guò)程中同時(shí)對(duì)電池施加一個(gè)扭轉(zhuǎn)力的測(cè)試（右側(cè)）。測(cè)試結(jié)果如下圖所示，從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，僅對(duì)電池施加擠壓時(shí)，由于電池受到的破壞較大，電池發(fā)生短路后，電池發(fā)生熱失控。而在對(duì)電池進(jìn)行擠壓的同時(shí)對(duì)電池施加一個(gè)扭轉(zhuǎn)力，降低了擠壓對(duì)電池的破壞，內(nèi)短路發(fā)生后，電壓迅速恢復(fù)，沒(méi)有發(fā)生熱失控?？梢?jiàn)LFP電池具有非常優(yōu)異的安全性能，即使在100%SoC狀態(tài)下，也能安然通過(guò)擠壓-扭轉(zhuǎn)測(cè)試。
2.對(duì)NMC電池安全性的評(píng)估
在對(duì)25Ah的NMC電池?cái)D壓-扭轉(zhuǎn)測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)50%SoC狀態(tài)下的電池都成功通過(guò)了測(cè)試，如圖a所示，60%SoC狀態(tài)下的電池有三只通過(guò)了測(cè)試，如圖b所示，另外的三只沒(méi)有通過(guò)測(cè)試，如圖c所示，可見(jiàn)60%SoC的電池通過(guò)測(cè)試和不通過(guò)測(cè)試的概率各為50%，而80%SoC的電池則都沒(méi)有通過(guò)測(cè)試，如圖d所示。由此可見(jiàn)，60%SoC是NMC電池安全性的一個(gè)分水嶺，低于這個(gè)數(shù)值時(shí)電池相對(duì)是安全的，高于這個(gè)數(shù)值，則電池在機(jī)械濫用的情況下的安全性將大大下降。
下圖為60%SoC的NMC電池在擠壓-扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)中的熱成像圖，從圖中可以看到在短路發(fā)生后，短路點(diǎn)的溫度在0.5S內(nèi)迅速升高到了147.5 ℃，隨后高溫區(qū)域迅速向周圍擴(kuò)展，說(shuō)明周圍區(qū)域溫度升高并不是由熱傳導(dǎo)導(dǎo)致的，而是高溫引發(fā)了其他的化學(xué)反應(yīng)。而在80%SoC下，NMC電池發(fā)生熱失控的溫度更高，引起周圍化學(xué)反應(yīng)的速度也更快。
基于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，Hsin Wang為NMC電池給出了不同SoC狀態(tài)下的安全得分，如下表所示，在該評(píng)分體系下我們能夠更加精確的對(duì)電池的安全性進(jìn)行評(píng)估，例如50%SoC的NMC電池與100%SoC的LFP電池的安全性得分都為100分，因此它們具有相近的安全性。60%SoC的NMC電池安全性風(fēng)險(xiǎn)較高，在機(jī)械濫用的情況下有50%的可能發(fā)生熱失控，而80%SoC的電池安全性風(fēng)險(xiǎn)非常高，機(jī)械濫用情況下發(fā)生熱失控的概率為100%。
Hsin Wang設(shè)計(jì)的針對(duì)大尺寸方形電池的擠壓-扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰離子電池在機(jī)械濫用情況下的熱失控風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量的分析，實(shí)現(xiàn)了鋰離子電池安全性評(píng)估從定性到定量的發(fā)展，以前我們只能說(shuō)某款電池的安全性是好，還是不好，而采用這種方法后，我們可以說(shuō)某款電池的安全性有多好、多不好，就如同我們從模擬信號(hào)時(shí)代，進(jìn)入到了數(shù)字信號(hào)時(shí)代。Hsin Wang設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方法還能夠進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化，例如實(shí)驗(yàn)的電池的數(shù)量可以更多一些，防止偶然因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，控制實(shí)驗(yàn)條件，例如溫度等，定量評(píng)估溫度等因素對(duì)電池安全性的影響。
