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欧阳明高院士团队电池安全研究:形状记忆合金法触发电池内短路

   次浏览   新能源Leader   2019-10-04

研究背景:


内短路是动力电池安全研究中极为重要的课题之一。当前电池企业多采用针刺手段触发内短路考察电池安全,但针刺实验重复性差,因此亟需开发可控、重复性好的内短路研究方法。此前,NASAUL等研究机构均提出了不同的内短路研究方法,而国内在这一领域的声音很小,同中国在国际锂离子电池中所占据的地位极不相符。清华大学欧阳明高院士团队在电池安全领域研究多年,硕果累累,享誉业界。针对电池内短路研究,该团队创造性的提出利用形状记忆合金对温度敏感的特性,将形状记忆合金内置于电池内部进而实现可控的电池内短路研究。成果以Internal Short Circuit Trigger Method forLithium-Ion Battery Based on Shape Memory Alloy为题发表在老牌电化学刊物Journal of The Electrochemical Society上。


图文浅析:


一.四种内短路模式和实验使用的形状记忆合金

1. (a)锂离子电池结构示意图;(b)四种常见的电池内短路模式。


   依目前的认识,电池内短路模式可简单分为四种:正极-负极短路、正极-Cu集流体短路、Al集流体-负极和Al集流体-Cu集流体。以上四种内短路模式中,正极-负极短路最为常见,但一般认为最为危险的是Al集流体-负极短路。具体解释可见Analysis of internal short-circuit in a lithium ioncellJournal of Power Sources 194 (2009) 550–557


2实验所用的形状记忆合金:(a)(c)低温下的平面示意图和真实图像;(b)(d)高温下的平面示意图和真实图像。


2所示为实验所用的形状记忆合金。在低温条件下该合金三角区域保持水平,在高温下三角箭头上翘泛起。在电池制过程将该合金置于电池内部特定位置,通过加热即可让该合金作用,三角箭头翘起触发电池内短路。

 

二.实验用的小软包电池及形状记忆合金对电池电性能的影响

3形状记忆合金置于电池内部过程图。


4形状记忆合金对电池内阻和容量的影响。


为了检验以上形状记忆合金触发内短路的效果,作者利用容量1 AhNMC小软包电池进行了验证,小软包电池具体信息见表1,形状记忆合金布置过程如图3所示。值得指出的是,可根据实验需要将形状记忆合金放置在合适的位置,四种内短路模式均可实现。此外,形状记忆合金的引入对电池内阻和容量均没有影响(4)

 

三.形状记忆合金触发电池Al集流体-负极短路


5形状记忆合金触发电池Al集流体-负极短路过程电压和电池外表中心温度变化。


6小软包电池Al集流体-负极短路过程图像。


Al集流体-负极之间的短路是四种经典短路模式中最容易导致电池发生热失控的。为此,作者利用形状记忆合金对该短路模式下电池的特征进行了研究。实验在保温箱中进行,当箱内温度达到70 ℃时形状记忆合金起作用导致电池发生Al集流体-负极短路。从图5中的两次实验的电压和温度曲线看,电池热失控最高温度分别为383 ℃393 ℃,曲线规律也有良好的重复性。图6中可以看到Al集流体-负极短路导致软包电池先发生膨胀,随后喷射大量活性,最后冒出浓烟。


四.形状记忆合金触发电池正极-负极短路

 

7形状记忆合金触发电池正极-负极短路过程电压和电池外表中心温度变化。


    如上前文所述,正极-负极短路是四种经典短路模式中相对轻微的,为此作者同样利用形状记忆合金对该短路行为进行了研究。从图7的电压和温度曲线可以看到,正极-负极短路后电池电压呈缓慢降低趋势,且电池表面最高温度不超过80 ℃,同Al集流体-负极短路的电压迅速降低、温升高达390 ℃左右既然不同,证实了以往经典短路模型危险性排序的正确性。同时从电压和温度曲线变化趋势上同样可以看出该方法的良好重复性。


五.针刺触发电池正极-负极短路


8.对同样的小软包电池进行针刺实验结果。


 为了进一步说明利用形状记忆合金方法触发电池内短路的优势,作者利用传统使用的针刺方法对电池进行了三组测试。如图8所示,三组测试的结果差异性挺大,三组电池中仅有组3发生了热失控,实验的重复性远低于本研究提出的形状合金方法。

 

论文信息:

Mingxuan Zhang, Jiuyu Du, Lishuo Liu, Anna Stefanopoulou, Jason Siegel,Languang Lu, Xiangming He, Xiaoyi Xie, Minggao Ouyang. Internal Short CircuitTrigger Method for Lithium-Ion Battery Based on Shape Memory Alloy.Journalof The Electrochemical Society, 164 (13) A3038-A3044 (2017)


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