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浅谈如何获得NCA电池的优异性能又确保其安全性

   次浏览   本站   2020-01-06


         5月14日,据中国香港媒体ezone报道称,一辆特斯拉Model S电动汽车停在新蒲岗广场停车场时,发生了自燃,这已经是近段时间第五起Model S自燃事件。据悉,事故Model S是车主2015年9月购买,当时购买车子花费了83.2万元。出现自燃事件后,这位车主表示,事发前自己曾多次向特斯拉投诉,称自己的车子电池有问题。

      目前特斯拉官方还没有回应。据了解,而事发当天的上午,车主使用了特斯拉提供的Supercharger,将车子充电至97%。如果算上这一起的话,过去三个月特斯拉Model S已经出现了五起自燃事件,今年3月26日,中国广州某小区地下停车场,Model S发生了自燃,而4月21日类似的事情重演,随后5月3日旧金山也出现了Model S自燃,面对接二连三的自燃事件,特斯拉CEO马斯克之前曾在推特上表示:“媒体对特斯拉自燃事件的报道有过分渲染之嫌,每年数千起燃油车自燃致死事件视而不见,却对一次没有人员伤亡的特斯拉车辆自燃事件采用双重标准。”


      观察者网汽车频道此前针对电动车安全问题曾撰文,文章提到,作为新兴事物,电动汽车的技术发展稳定性不如发展时间超过一百年的燃油汽车,对于电池安全问题的论证时间则更为有限。不过,相比传统燃油汽车企业,主营电动汽车的造车新势力们在追求性能和领先科技的层面表现得更为激进,在无形中放低了对安全这一汽车核心要素的重视。

      孟子云:鱼和熊掌不可兼得。遗憾的是,动力电池就是这样一把双刃剑。直接影响汽车动力性能的电池能量密度往往与稳定性成反比,能量密度越高,性能越强的电池稳定性也越低。一般来说。磷酸铁锂电池的稳定性高于三元锂电池,在三元锂电池中,镍钴锰酸锂(NCM)的稳定性高于镍钴铝酸锂(NCA)。然而,特斯拉使用的松下18650电池恰恰是稳定性最低的NCA电池。

      特斯拉之所以采取NCA电池,显然是为了追求更高的电池能量密度以及其带来的更强劲的动力性能,但与之相对应的则是更高的安全隐患。

      此外,特斯拉的电池组采用7104节枚电池串并联的形式组成,这种模式能够大幅增加电池的能量密度。同时,单个电池的失效也不会影响整个电池组的运作。但副作用是,一旦单个电池发生燃烧,会迅速引燃相邻的电池,从而形成电池组大规模连锁燃烧反应。


      既然热失控的风险无法避免,我们能做的就是充分认识高能量密度锂离子电池的热失控的威力和风险,采取相应的措施在锂离子电池发生热失控时将危害降低到最低,为乘客争取足够的逃生时间。近日,中国石油大学的Ping Ping(第一作者)和Jennifer Wen(通讯作者,英国华威大学)等对高能量密度NCA18650电池的热失控行为进行了详细的研究和分析,发现当电池暴露在超过35kW/m2的热流密度中时会引起锂离子电池的起火和爆炸,当电池的温度达到132℃时会导致18650电池防爆阀启动,当电池温度进一步升高到200℃后18650电池就会发生爆炸,定量测试表明锂离子电池在热失控中放热功率可达11.8kW,产热可达163kJ。


      常见的热失控触发方式主要包含外部短路、外部加热和针刺等,而本试验中选用的方式为外部加热,热失控测试装置如上图所示,在18650电池的上方安装一个红外加热装置,通过外部加热的方式触发锂离子电池热失控。在试验中作者发现当加热的热流量在10-15kW/m2时并不会引发锂离子电池热失控,仅仅只会导致18650电池的安全阀启动泄压。当加热的热流密度达到20-30kW/m2时锂离子电池就会发生爆燃,当继续提高热流密度达到35、40、50和65kW/m2电池则会发生燃烧和爆燃。


      下图展示了在不同的热流密度下锂离子电池热失控全过程的图片,从下图a中我们看到,在30kW/m2的热流密度下电池的热失控主要经历了三个过程,第一个过程时在625s时电池泄压阀启动,并在随后的409s中持续释放气体。在1034s时锂离子电池内部开始产生火花,并引起电池周围的可燃气体的爆燃,随后从电池泄压阀中喷出的气体持续燃烧了25s

      当电池暴露在35和65kW/m2的热流密度中时,热失控的现象与在30kW/m2中时有明显的区别,首先电池分别在473s和249s时泄压阀启动,几乎是在同时泄漏的气体就发生了燃烧,并分别持续了17s和25s,火焰熄灭后电池温度仍然很高,并在232s和143s后电池内部产生火花引燃了电池周围的可燃气体,引起了爆燃。

      作者观察到在电池发生爆燃的同时,锂离子电池发生了剧烈的燃烧,并释放出大量的烟雾,特别是在电池暴露在50和65kW/m2的热流密度中时,电池燃烧产生的高压甚至破坏了18650电池的不锈钢外壳,下表中总结了锂离子电池热失控的一些参数。



       对于锂离子电池而言,热失控的危害除了高温、燃烧和爆燃外,电池释放的有毒气体也会对电动汽车的使用者产生严重的威胁,在热失控中锂离子电池的气体主要来自热分解、溶剂气化和活性物质的电化学反应。在本试验中作者主要关注了CO浓度的变化,从下图中我们能够看到,热流密度对于最终产生气体中的CO的浓度具有很大的影响,当热流密度较低(20/30kW/m2)时电池产生的气体中CO的浓度很低,表明此时不完全燃烧反应较少,但是随着热流密度的升高,会导致电池产生气体中的CO浓度显著升高,表明在此过程中不完全燃烧反应比较多。


      从上面的研究我们可以发现高能量密度18650电池热失控的主要危害形式体现在高温和有毒气体释放上,在热失控中电池表面的最高温度可达800℃,火焰温度超过1000℃,同时释放出了大量的有毒气体。因此为了避免锂离子电池热失控造成严重安全事故,作者建议应该从以下几个方面提升锂离子电池的安全性。

      采取散热措施避免锂离子电池温度超过100℃。当电池温度已经超过100℃,电池管理系统应该采取必要的措施对锂离子电池进行降温处理。如果电池已经开始燃烧,需要对其进行紧急降温避免情况进一步恶化。如果前期的火焰已经熄灭,仍然需要对电池进行足够的降温和灭火处理,避免电池发生严重的爆燃事故。

       因此对于动力电池pack而言,配备必要的灭火措施,在锂离子电池热失控的初期即时阻止热失控的发展,对于提升电动汽车的安全性,保证乘客的人身和财产安全时非常重要的。

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