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大众汽车:怎样才能做好锂离子电池热失控研究

   次浏览   新能源Leader   2020-03-20

锂离子电池高能量密度,长循环寿命使得其在消费电子领域取得了巨大的成功,近年来随着电动汽车的发展,锂离子电池在动力电池领域正在复制其在消费电子领域的成功。然而在其成功的道路上仍然有些许阴霾,这就是锂离子电池的安全问题,热失控是锂离子电池最为严重的安全问题,一旦发生热失控会对电动汽车的使用者的生命和财产安全构成巨大的威胁,然而多数人对于锂离子电池的热失控还停留在起火爆炸等表观现象上,对于热失控的内在机理仍然缺乏充分的认知。


近日,德国大众汽车的Alexander Börger(第一作者,通讯作者)等人对锂离子电池的热失控研究方法进行了探讨,从而帮助我们找到更好的提升锂离子电池安全性的方法,提升电动汽车的使用安全性。


目前对于锂离子电池热失控的判断,不同的规范有不同的标准,例如GTR 20文件中认为,如果我们同时检测到锂离子电池发生下述的13或者同时发生23则意味着锂离子电池发生了热失控。


1)电池电压突然降低。

2)电池温度超过了最大允许温度。

3)电池温度速率大于1摄氏度/秒。


但是作者认为上述的判断热失控的标准仍然不能完全覆盖锂离子电池所有热失控的可能性,例如作者在这里举例,如果一串锂离子电池中存在一只内阻非常大,因此会导致整个回路的电压几乎都加在这一只电池上,同时回路电流会降低到非常微弱,因此锂离子电池不会发生上述条件中的情况,但是由于施加在该电池上的高电压会导致该电池发生大量的副反应,最终也会导致锂离子电池发生热失控。但是小编认为这种情况虽然理论上存在,但是在实际中几乎不存在这种可能性,大众的工程师实在是多虑了。


另外一种判断锂离子电池热失控的方法是采用EUCAR灾害等级分类标准,该分类方法认为如果锂离子电池发生了起火、爆炸等现象时才意味着锂离子电池发生热失控。但是这一标准也会将我们引入误区,让我们只关心上述的指标,而不是真正的提升锂离子电池的安全性。


因此如何避免在锂离子电池安全性研究时走入误区,就需要从本质上对锂离子电池热失控的产生和发展过程有更多的认识和了解,从而避免一叶障目。温度是研究锂离子电池热失控现象最为重要的参数,锂离子电池的温度变化是来自于锂离子电池产生,以及从外界吸收的热量与通过环境散出的热量之间的差值,一般来说我们认为锂离子电池的温度变化可以分为三个阶段:


(1)   温度高于最低温度限制,但是低于正常工作温度上限,此时电池能够安全和正常的工作。

(2)   温度突破电池正常工作温度上限,电池内部开始发生不正常反应,此时需要我们采取降温,减小工作电流等一些列措施避免锂离子电池发生热失控。

(3)   温度继续升高,突破电池安全温度上限,电池内部开始发生大量的防热反应,此时已经无法采取任何外部措施,电池不可避免的发生热失控,电池温度持续升高,内部压力持续增大。


最粗略的讲,锂离子电池发生热失控无非就是产生热量的速度远远高于电池的散热速度,大量的热量在电池内部积累,引起电池温度急剧升高从而造成热失控,因此电池热失控并非不可阻止,只要有足够强的冷却手段,没有什么热失控是阻止不了的,例如欧阳老师就曾经用低温液氮对热失控的电池进行冷却,瞬间阻止热失控,但是实际使用中往往很难找到如此强的冷却手段,也就造成了热失控不可控的固有观念。


因此锂离子电池热失控的研究的关键还是在于产热情况和散热情况的研究,根据热失控时锂离子电池产热条件和散热条件,作者将锂离子电池热失控时所处的状态分为下面几种:


1)电池发生热失控时外电路的电流已经被开关或保险丝切段,但是散热系统仍然不足以带走锂离子电池产生的全部热量。

2)电池在发生热失控时,外电路电流仍然持续存在,但是散热系统不能把把所有的热量带走。

3)介于上述第1和第2中情况之间,在发生热失控后的某个时间点或者电池达到某个温度后,外电路电流被切断。

4)电池的工作电流超出了电池的最大允许电流。

5)外部大量的热量引起了锂离子电池发生热失控。


锂离子电池散热途径主要包含对流、传到和热辐射,因此锂离子电池最大散热能力我们可以通过下式进行计算,其中λ为热传导系数,A为锂离子电池的有效面积,Tsurf为电池表面温度,Tamb为环境温度,h为对流热传导系数,t为时间,ε为电池表面的发射率,σStefan-Boltzmann常数。


电池的产热可以用下式进行计算,其中Q1位从周围环境经过辐射、传导和对流等方式传递到电池的热量,Q2为电流产生的热量,例如常规的欧姆热,电池外短路、内短路的大电流产生的热量,Q3为电化学反应热,Q4位纯的化学反应热,Q5位其他热量,例如气体体积变化产热。

因此在不同的引起锂离子电池热失控的情况下,我们研究锂离子电池热失控时也应该有不同的侧重点,如果锂离子电池是由于外部电流过大引起的温度急剧升高,则需要需要首先对电池处于充电状态还是放电状态进行判断,如果是充电过程发生热失控则需要对充电功率等指标进行研究,如果是放电状态则需要将电池的SoC和温度等指标考虑在内。如果是由于外部短路引起的外部大电流,则需要考虑是否需要在电池上增加保险丝,防爆阀等措施,以便在短路发生时能够及时切断电池的电流。而如果是电池内部短路引起的锂离子电池热失控则情况还会进一步变糟,因为没有任何开关或保险丝能够切断内短路,特别是如果发生内短路的电池组合在电池组内时,短路点的电流还会进一步增加,导致锂离子电池难以避免的发生热失控,此时主要的研究应该集中在电池内部缺陷控制,减少内短路风险。如果锂离子电池热失控是由于外部加热造成的,则需要电池本身耐热性能和电池组的散热系统的散热能力两个方面进行研究。


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