'大眾汽車:怎樣才能做好鋰離子電池熱失控研究'

大眾汽車 電動汽車 新能源Leader 2019-07-22
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鋰離子電池高能量密度,長循環壽命使得其在消費電子領域取得了巨大的成功,近年來隨著電動汽車的發展,鋰離子電池在動力電池領域正在複製其在消費電子領域的成功。然而在其成功的道路上仍然有些許陰霾,這就是鋰離子電池的安全問題,熱失控是鋰離子電池最為嚴重的安全問題,一旦發生熱失控會對電動汽車的使用者的生命和財產安全構成巨大的威脅,然而多數人對於鋰離子電池的熱失控還停留在起火爆炸等表觀現象上,對於熱失控的內在機理仍然缺乏充分的認知。

近日,德國大眾汽車的Alexander Börger(第一作者,通訊作者)等人對鋰離子電池的熱失控研究方法進行了探討,從而幫助我們找到更好的提升鋰離子電池安全性的方法,提升電動汽車的使用安全性。

目前對於鋰離子電池熱失控的判斷,不同的規範有不同的標準,例如GTR 20文件中認為,如果我們同時檢測到鋰離子電池發生下述的1和3或者同時發生2和3則意味著鋰離子電池發生了熱失控。

1) 電池電壓突然降低。

2) 電池溫度超過了最大允許溫度。

3) 電池溫度速率大於1攝氏度/秒。

但是作者認為上述的判斷熱失控的標準仍然不能完全覆蓋鋰離子電池所有熱失控的可能性,例如作者在這裡舉例,如果一串鋰離子電池中存在一隻內阻非常大,因此會導致整個迴路的電壓幾乎都加在這一隻電池上,同時迴路電流會降低到非常微弱,因此鋰離子電池不會發生上述條件中的情況,但是由於施加在該電池上的高電壓會導致該電池發生大量的副反應,最終也會導致鋰離子電池發生熱失控。但是小編認為這種情況雖然理論上存在,但是在實際中幾乎不存在這種可能性,大眾的工程師實在是多慮了。

另外一種判斷鋰離子電池熱失控的方法是採用EUCAR災害等級分類標準,該分類方法認為如果鋰離子電池發生了起火、爆炸等現象時才意味著鋰離子電池發生熱失控。但是這一標準也會將我們引入誤區,讓我們只關心上述的指標,而不是真正的提升鋰離子電池的安全性。

因此如何避免在鋰離子電池安全性研究時走入誤區,就需要從本質上對鋰離子電池熱失控的產生和發展過程有更多的認識和了解,從而避免一葉障目。溫度是研究鋰離子電池熱失控現象最為重要的參數,鋰離子電池的溫度變化是來自於鋰離子電池產生,以及從外界吸收的熱量與通過環境散出的熱量之間的差值,一般來說我們認為鋰離子電池的溫度變化可以分為三個階段

(1) 溫度高於最低溫度限制,但是低於正常工作溫度上限,此時電池能夠安全和正常的工作。

(2) 溫度突破電池正常工作溫度上限,電池內部開始發生不正常反應,此時需要我們採取降溫,減小工作電流等一些列措施避免鋰離子電池發生熱失控。

(3) 溫度繼續升高,突破電池安全溫度上限,電池內部開始發生大量的防熱反應,此時已經無法採取任何外部措施,電池不可避免的發生熱失控,電池溫度持續升高,內部壓力持續增大。

最粗略的講,鋰離子電池發生熱失控無非就是產生熱量的速度遠遠高於電池的散熱速度,大量的熱量在電池內部積累,引起電池溫度急劇升高從而造成熱失控,因此電池熱失控並非不可阻止,只要有足夠強的冷卻手段,沒有什麼熱失控是阻止不了的,例如歐陽老師就曾經用低溫液氮對熱失控的電池進行冷卻,瞬間阻止熱失控,但是實際使用中往往很難找到如此強的冷卻手段,也就造成了熱失控不可控的固有觀念。

因此鋰離子電池熱失控的研究的關鍵還是在於產熱情況和散熱情況的研究,根據熱失控時鋰離子電池產熱條件和散熱條件,作者將鋰離子電池熱失控時所處的狀態分為下面幾種

1) 電池發生熱失控時外電路的電流已經被開關或保險絲切段,但是散熱系統仍然不足以帶走鋰離子電池產生的全部熱量。

2) 電池在發生熱失控時,外電路電流仍然持續存在,但是散熱系統不能把把所有的熱量帶走。

3) 介於上述第1和第2中情況之間,在發生熱失控後的某個時間點或者電池達到某個溫度後,外電路電流被切斷。

4) 電池的工作電流超出了電池的最大允許電流。

5) 外部大量的熱量引起了鋰離子電池發生熱失控。

鋰離子電池散熱途徑主要包含對流、傳到和熱輻射,因此鋰離子電池最大散熱能力我們可以通過下式進行計算,其中λ為熱傳導係數,A為鋰離子電池的有效面積,Tsurf為電池表面溫度,Tamb為環境溫度,h為對流熱傳導係數,t為時間,ε為電池表面的發射率,σ為Stefan-Boltzmann常數。

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鋰離子電池高能量密度,長循環壽命使得其在消費電子領域取得了巨大的成功,近年來隨著電動汽車的發展,鋰離子電池在動力電池領域正在複製其在消費電子領域的成功。然而在其成功的道路上仍然有些許陰霾,這就是鋰離子電池的安全問題,熱失控是鋰離子電池最為嚴重的安全問題,一旦發生熱失控會對電動汽車的使用者的生命和財產安全構成巨大的威脅,然而多數人對於鋰離子電池的熱失控還停留在起火爆炸等表觀現象上,對於熱失控的內在機理仍然缺乏充分的認知。

近日,德國大眾汽車的Alexander Börger(第一作者,通訊作者)等人對鋰離子電池的熱失控研究方法進行了探討,從而幫助我們找到更好的提升鋰離子電池安全性的方法,提升電動汽車的使用安全性。

目前對於鋰離子電池熱失控的判斷,不同的規範有不同的標準,例如GTR 20文件中認為,如果我們同時檢測到鋰離子電池發生下述的1和3或者同時發生2和3則意味著鋰離子電池發生了熱失控。

1) 電池電壓突然降低。

2) 電池溫度超過了最大允許溫度。

3) 電池溫度速率大於1攝氏度/秒。

但是作者認為上述的判斷熱失控的標準仍然不能完全覆蓋鋰離子電池所有熱失控的可能性,例如作者在這裡舉例,如果一串鋰離子電池中存在一隻內阻非常大,因此會導致整個迴路的電壓幾乎都加在這一隻電池上,同時迴路電流會降低到非常微弱,因此鋰離子電池不會發生上述條件中的情況,但是由於施加在該電池上的高電壓會導致該電池發生大量的副反應,最終也會導致鋰離子電池發生熱失控。但是小編認為這種情況雖然理論上存在,但是在實際中幾乎不存在這種可能性,大眾的工程師實在是多慮了。

另外一種判斷鋰離子電池熱失控的方法是採用EUCAR災害等級分類標準,該分類方法認為如果鋰離子電池發生了起火、爆炸等現象時才意味著鋰離子電池發生熱失控。但是這一標準也會將我們引入誤區,讓我們只關心上述的指標,而不是真正的提升鋰離子電池的安全性。

因此如何避免在鋰離子電池安全性研究時走入誤區,就需要從本質上對鋰離子電池熱失控的產生和發展過程有更多的認識和了解,從而避免一葉障目。溫度是研究鋰離子電池熱失控現象最為重要的參數,鋰離子電池的溫度變化是來自於鋰離子電池產生,以及從外界吸收的熱量與通過環境散出的熱量之間的差值,一般來說我們認為鋰離子電池的溫度變化可以分為三個階段

(1) 溫度高於最低溫度限制,但是低於正常工作溫度上限,此時電池能夠安全和正常的工作。

(2) 溫度突破電池正常工作溫度上限,電池內部開始發生不正常反應,此時需要我們採取降溫,減小工作電流等一些列措施避免鋰離子電池發生熱失控。

(3) 溫度繼續升高,突破電池安全溫度上限,電池內部開始發生大量的防熱反應,此時已經無法採取任何外部措施,電池不可避免的發生熱失控,電池溫度持續升高,內部壓力持續增大。

最粗略的講,鋰離子電池發生熱失控無非就是產生熱量的速度遠遠高於電池的散熱速度,大量的熱量在電池內部積累,引起電池溫度急劇升高從而造成熱失控,因此電池熱失控並非不可阻止,只要有足夠強的冷卻手段,沒有什麼熱失控是阻止不了的,例如歐陽老師就曾經用低溫液氮對熱失控的電池進行冷卻,瞬間阻止熱失控,但是實際使用中往往很難找到如此強的冷卻手段,也就造成了熱失控不可控的固有觀念。

因此鋰離子電池熱失控的研究的關鍵還是在於產熱情況和散熱情況的研究,根據熱失控時鋰離子電池產熱條件和散熱條件,作者將鋰離子電池熱失控時所處的狀態分為下面幾種

1) 電池發生熱失控時外電路的電流已經被開關或保險絲切段,但是散熱系統仍然不足以帶走鋰離子電池產生的全部熱量。

2) 電池在發生熱失控時,外電路電流仍然持續存在,但是散熱系統不能把把所有的熱量帶走。

3) 介於上述第1和第2中情況之間,在發生熱失控後的某個時間點或者電池達到某個溫度後,外電路電流被切斷。

4) 電池的工作電流超出了電池的最大允許電流。

5) 外部大量的熱量引起了鋰離子電池發生熱失控。

鋰離子電池散熱途徑主要包含對流、傳到和熱輻射,因此鋰離子電池最大散熱能力我們可以通過下式進行計算,其中λ為熱傳導係數,A為鋰離子電池的有效面積,Tsurf為電池表面溫度,Tamb為環境溫度,h為對流熱傳導係數,t為時間,ε為電池表面的發射率,σ為Stefan-Boltzmann常數。

大眾汽車:怎樣才能做好鋰離子電池熱失控研究

電池的產熱可以用下式進行計算,其中Q1位從周圍環境經過輻射、傳導和對流等方式傳遞到電池的熱量,Q2為電流產生的熱量,例如常規的歐姆熱,電池外短路、內短路的大電流產生的熱量,Q3為電化學反應熱,Q4位純的化學反應熱,Q5位其他熱量,例如氣體體積變化產熱。

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鋰離子電池高能量密度,長循環壽命使得其在消費電子領域取得了巨大的成功,近年來隨著電動汽車的發展,鋰離子電池在動力電池領域正在複製其在消費電子領域的成功。然而在其成功的道路上仍然有些許陰霾,這就是鋰離子電池的安全問題,熱失控是鋰離子電池最為嚴重的安全問題,一旦發生熱失控會對電動汽車的使用者的生命和財產安全構成巨大的威脅,然而多數人對於鋰離子電池的熱失控還停留在起火爆炸等表觀現象上,對於熱失控的內在機理仍然缺乏充分的認知。

近日,德國大眾汽車的Alexander Börger(第一作者,通訊作者)等人對鋰離子電池的熱失控研究方法進行了探討,從而幫助我們找到更好的提升鋰離子電池安全性的方法,提升電動汽車的使用安全性。

目前對於鋰離子電池熱失控的判斷,不同的規範有不同的標準,例如GTR 20文件中認為,如果我們同時檢測到鋰離子電池發生下述的1和3或者同時發生2和3則意味著鋰離子電池發生了熱失控。

1) 電池電壓突然降低。

2) 電池溫度超過了最大允許溫度。

3) 電池溫度速率大於1攝氏度/秒。

但是作者認為上述的判斷熱失控的標準仍然不能完全覆蓋鋰離子電池所有熱失控的可能性,例如作者在這裡舉例,如果一串鋰離子電池中存在一隻內阻非常大,因此會導致整個迴路的電壓幾乎都加在這一隻電池上,同時迴路電流會降低到非常微弱,因此鋰離子電池不會發生上述條件中的情況,但是由於施加在該電池上的高電壓會導致該電池發生大量的副反應,最終也會導致鋰離子電池發生熱失控。但是小編認為這種情況雖然理論上存在,但是在實際中幾乎不存在這種可能性,大眾的工程師實在是多慮了。

另外一種判斷鋰離子電池熱失控的方法是採用EUCAR災害等級分類標準,該分類方法認為如果鋰離子電池發生了起火、爆炸等現象時才意味著鋰離子電池發生熱失控。但是這一標準也會將我們引入誤區,讓我們只關心上述的指標,而不是真正的提升鋰離子電池的安全性。

因此如何避免在鋰離子電池安全性研究時走入誤區,就需要從本質上對鋰離子電池熱失控的產生和發展過程有更多的認識和了解,從而避免一葉障目。溫度是研究鋰離子電池熱失控現象最為重要的參數,鋰離子電池的溫度變化是來自於鋰離子電池產生,以及從外界吸收的熱量與通過環境散出的熱量之間的差值,一般來說我們認為鋰離子電池的溫度變化可以分為三個階段

(1) 溫度高於最低溫度限制,但是低於正常工作溫度上限,此時電池能夠安全和正常的工作。

(2) 溫度突破電池正常工作溫度上限,電池內部開始發生不正常反應,此時需要我們採取降溫,減小工作電流等一些列措施避免鋰離子電池發生熱失控。

(3) 溫度繼續升高,突破電池安全溫度上限,電池內部開始發生大量的防熱反應,此時已經無法採取任何外部措施,電池不可避免的發生熱失控,電池溫度持續升高,內部壓力持續增大。

最粗略的講,鋰離子電池發生熱失控無非就是產生熱量的速度遠遠高於電池的散熱速度,大量的熱量在電池內部積累,引起電池溫度急劇升高從而造成熱失控,因此電池熱失控並非不可阻止,只要有足夠強的冷卻手段,沒有什麼熱失控是阻止不了的,例如歐陽老師就曾經用低溫液氮對熱失控的電池進行冷卻,瞬間阻止熱失控,但是實際使用中往往很難找到如此強的冷卻手段,也就造成了熱失控不可控的固有觀念。

因此鋰離子電池熱失控的研究的關鍵還是在於產熱情況和散熱情況的研究,根據熱失控時鋰離子電池產熱條件和散熱條件,作者將鋰離子電池熱失控時所處的狀態分為下面幾種

1) 電池發生熱失控時外電路的電流已經被開關或保險絲切段,但是散熱系統仍然不足以帶走鋰離子電池產生的全部熱量。

2) 電池在發生熱失控時,外電路電流仍然持續存在,但是散熱系統不能把把所有的熱量帶走。

3) 介於上述第1和第2中情況之間,在發生熱失控後的某個時間點或者電池達到某個溫度後,外電路電流被切斷。

4) 電池的工作電流超出了電池的最大允許電流。

5) 外部大量的熱量引起了鋰離子電池發生熱失控。

鋰離子電池散熱途徑主要包含對流、傳到和熱輻射,因此鋰離子電池最大散熱能力我們可以通過下式進行計算,其中λ為熱傳導係數,A為鋰離子電池的有效面積,Tsurf為電池表面溫度,Tamb為環境溫度,h為對流熱傳導係數,t為時間,ε為電池表面的發射率,σ為Stefan-Boltzmann常數。

大眾汽車:怎樣才能做好鋰離子電池熱失控研究

電池的產熱可以用下式進行計算,其中Q1位從周圍環境經過輻射、傳導和對流等方式傳遞到電池的熱量,Q2為電流產生的熱量,例如常規的歐姆熱,電池外短路、內短路的大電流產生的熱量,Q3為電化學反應熱,Q4位純的化學反應熱,Q5位其他熱量,例如氣體體積變化產熱。

大眾汽車:怎樣才能做好鋰離子電池熱失控研究

因此在不同的引起鋰離子電池熱失控的情況下,我們研究鋰離子電池熱失控時也應該有不同的側重點,如果鋰離子電池是由於外部電流過大引起的溫度急劇升高,則需要需要首先對電池處於充電狀態還是放電狀態進行判斷,如果是充電過程發生熱失控則需要對充電功率等指標進行研究,如果是放電狀態則需要將電池的SoC和溫度等指標考慮在內。如果是由於外部短路引起的外部大電流,則需要考慮是否需要在電池上增加保險絲,防爆閥等措施,以便在短路發生時能夠及時切斷電池的電流。而如果是電池內部短路引起的鋰離子電池熱失控則情況還會進一步變糟,因為沒有任何開關或保險絲能夠切斷內短路,特別是如果發生內短路的電池組合在電池組內時,短路點的電流還會進一步增加,導致鋰離子電池難以避免的發生熱失控,此時主要的研究應該集中在電池內部缺陷控制,減少內短路風險。如果鋰離子電池熱失控是由於外部加熱造成的,則需要電池本身耐熱性能和電池組的散熱系統的散熱能力兩個方面進行研究。

本文主要參考以下文獻,文章僅用於對相關科學作品的介紹和評論,以及課堂教學和科學研究,不得作為商業用途。如有任何版權問題,請隨時與我們聯繫。

Thermal runaway and thermal runaway propagation in batteries: What do we talk about? Journal of Energy Storage 24 (2019) 100649, Alexander Börgera, Jan Mertens, Heinz Wenzl

文/憑欄眺

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