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38Ah电芯热失控测试

   次浏览   知化汽车   2021-01-23

在大多数涉及到自燃的事故中,为了安全起见,整车都会对充电的SOC进行限制。可见SOC对于发生热失控有很大的影响。

 

对于不做电芯的朋友来说,可能理解电芯的热失控或SOC的影响不那么感性,这里我们就通过一个38Ah电芯的热失控测试来通俗地了解下整个热失控过程,以及热失控过程中关键温度参数,SOC的影响。

 

这个案例来自于国轩对外公开发表的论文研究,所用的电芯参数如下:

 

  • 正极:LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2

  • 充放电窗口:3.0V~4.2V

  • 热电欧布置在电芯大面的中央位置

 

1100%SOC电芯热失控


 

对照上图,可以看出:100% SOC时,Tonset 76 °CTTR的温度是188 °CTmax的温度是417°C,从下图可以看出,温度从135°C时,开始迅速升高,同时电压降为0V(这主要是短路保护装置SSD起作用了)。(注:这里Tonset指温度的升率开始大于0.02°C/分钟;TTR指温度升率大于10 °C/分钟

 

大约在154°C时,温度骤降,这是由于SSD打开,电解液喷出带走部分热量;大约到了188°C时,温升速度达到10°C/分钟,电芯进入到热失控状态。整个热失控过程释放的热量为314.3千焦。

 

2、不同SOC的影响:



可以看出,只有当SOC达到35%之上,电芯才能发生热失控;随着SOC的增加,TonsetTTR会降低,这论证了高SOC更容易发生热失控;同时,Tmax将变得更大,这说明高SOC的热失控会更剧烈。

 

SOC对电芯热失控剧烈程度的影响,还可以从热失控造成的电芯壳体结构膨胀率来看。从0%SOC 100% SOC,电芯壳体膨胀的比例为91.28%~117.19%。这个过程中,由于有SSD的存在,所以,所有的测试电芯均没有发生壳体破裂。


 

从热失控后,不同SOC下电芯的拆解分析来看,如下图,对于100% SOC,可以看到电极基本被烧成粉,只剩下铜集流体;50% SOC条件下,隔膜基本被融化,但电极还相对完好;在0% SOC条件下,能够看到整个电芯还没有受到很大的破坏,电芯的原貌仍能看得出。


 

3、热失控过程概括

回头来总结下满充条件下38Ah的整个热失控过程:


 


(1)   在大约80 °C的时候,一些副反应和一些锂化合物开始分解,释放大量的热,开始启动电芯的放热过程;

(2)   在达到100°C后,SEI膜开始解体,电解液和石墨负极发生反应,电芯温度增加;同时,产生一些可燃气体,致使电芯鼓胀;电解液在正极氧化,进一步产生大量的热和气体;

(3)  当温度超过130°C时,隔离膜发生融化,正负极发生短路,产热剧增,电芯温度进一步升高;

(4) 当温度达到154°C时,电芯的安全防护阀SSD打开,电解液等被喷射出来,电芯温度出现快速下降;

(5)  当温度超过180°C时,电解液、正负极等发生剧烈的反应,电芯温度急剧升高,呈指数式增长,电芯进入到热失控状态。

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