LFP和NMC电池热失控燃烧特征对比分析

  连线新能源   2019-10-17 次浏览

不爆炸、不起火是理想的电池安全状态，但作为含能体，目前的锂离子动力电池在某些相对极端条件下发生热失控进而起火燃烧似乎也是不可避免的。一方面既要想办法从化学体系和结构设计角度提高电池的安全性，防范于未然；同时也要研究电池发生热失控、起火燃烧的特征，了然于心、临危不惧。中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室是国内锂离子电池热失控燃烧特征研究的领导者，开展的细致了相关研究，硕果累累。本文介绍的就是科大火灾实验室联合中航锂电(江苏)和中国赛宝实验室所开展的LFP电池和NMC电池热失控燃烧特征研究，详见Studyon the fire risk associated with a failure of large-scale commercial LiFePO₄/graphiteand LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂/graphite batteries.EnergyScience & Engineering, DOI: 10.1002/ese3.283。

一．实验所用电池及实验装置

图1.实验所用的LFP电池和NMC电池照片及相关信息。

实验所用的LFP电池和NMC电池均来自江苏中航锂电，具体如图1所示。两种电池均为方形硬壳电池，其中LFP电池容量为80Ah，NMC电池容量为50Ah，实验时电池均处于100%SOC。值得指出的是文中并未具体说明NMC电池是哪种化学体系。

图2.实验装置示意图。

实验所用的装置如图2所示。电池放置在天平上，电池和天平之间进行了防火处理以保护天平，电池通过功率为2kW的加热板加热触发热失控。同一般电池企业所用的安全测试设备不同，该装置可同步将热失控燃烧产生的气体收集进行成分等分析，进而可获得除常规电池电压、温度之外的更多信息。

二．实验结果

图3.LFP电池(A)和NMC电池(B)热失控燃烧过程。

    如图3所示，作者将LFP电池和NMC电池的热失控燃烧过程分为三个阶段:Stage a，电池因加热开始发生热失控，此阶段火势极小；Stageb，电池火势不断增大，喷出火星，火焰凶猛，同时伴随着巨大的响声；Stagec，火势逐渐减弱直至熄灭。图3给人的直观感觉是NMC电池热失控燃烧猛烈程度明显高于LFP电池。从加热触发热失控所用时间上看，LFP电池加热525.4s才发生热失控，而NMC电池加热368.2 s即开始发生热失控；从燃烧持续时间看，LFP电池燃烧持续了443.5 s，而NMC电池燃烧仅持续了156.1 s。虽然两种电池的容量有差异，但从以上还是可以LFP电池的热稳定性明显高于NMC电池。

图4.LFP电池和NMC电池热失控燃烧过程声音信号。

    有意思的一点是作者还采集了两种电池热失控燃烧过程的声音信号，如图4所示。从声音信号看，同LFP电池相比，NMC电池不仅热失控燃烧发生的很突然，而且时间点更早、持续时间更短，进一步映证了图3的结论。通过声音信号辅助分析还是首次见到，后续这一技术值得关注。

图5. 两种电池热失控燃烧过程电池表面平均温度(上图)和最高热释放速率(下图)。

    实验中作者监测了电池热失控燃烧过程电池表面的温度，而对喷射物或者火焰的温度没有关注。从以往的测试结果看，电池热失控火焰温度高达1000以上，电池包存在烧穿的可能。因此，从系统防护角度，监测喷射物或者不同高度火焰温度可能更有意义。从图5结果看，NMC电池热失控表面温度高达658.7℃，高于LFP电池的535.3℃，这也进一步映证了NMC电池热失控更为猛烈。但从最高热释放速率结果看，LFP电池和NMC电池的最高热释放速率差不多，这个结果挺有意思，值得琢磨。

图6.两种电池热失控燃烧释放气体信息。

    作者检测了两种电池热失控燃烧产生的气体成分，结果如图6所示，不过仅检测了CO₂和CO浓度。从结果看两种气体组分中CO₂浓度更高，并且NMC电池热失控燃烧产生的气体中CO浓度相对更高，表明NMC电池燃烧充分程度不如LFP电池，所产生的气体危害相对更大。

图7.两种电池热失控燃烧质量变化。

    从失重率看，NMC电池热失控燃烧的失重率高于LFP电池，表明NMC电池热失控燃烧过程更为猛烈。之前戴姆勒的研究结果显示NMC电池随着正极材料Ni含量的提高，电池失效过程有更多的内容物从电池内部喷射出去导致失重率增大。因此，在考察电池热失控失重上，还应仔细观察电池的热失控过程，甚至在电池热失控安全防护上可以针对不同化学体系采取不同的措施。

论文信息：

Zhi Wang, KangZhu, Jianyao Hu, Jian Wang. Study on the fire risk associated with a failure oflarge-scale commercial LiFePO₄/graphite and LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂/graphitebatteries. Energy Science & Engineering, 2018. DOI: 10.1002/ese3.283