市面上的電瓶車品牌種類繁多，但其能量來源基本以鋰電池或鉛酸電池為主。作為重點(diǎn)關(guān)注鋰電池?zé)岚踩珳y試解決方案的行業(yè)專家，我們將從更加科學(xué)的角度，帶您了解電池?zé)崾Э乇澈蟮臋C(jī)理。

　　鋰電池?zé)崾Э販y試與關(guān)鍵儀器

　　熱失控指電池單體放熱連鎖反應(yīng)引起電池溫度不可控上升的現(xiàn)象。造成動力電池?zé)崾Э氐恼T因主要有機(jī)械濫用、電濫用和熱濫用，熱失控可能由這三個因素單獨(dú)或者耦合誘發(fā)。

 圖1 鋰電池?zé)崾Э剡^程圖[1]

　　結(jié)合電池材料熱穩(wěn)定性與分解特征，鋰電池?zé)崾Э剡^程大致分為三個階段：

　　(1)自反應(yīng)放熱階段：由于內(nèi)部短路，外部加熱或者電池自身在大電流充放電時自身發(fā)熱，使得電池內(nèi)部溫度上升至90~100℃左右，SEI膜開始收縮分解，正負(fù)極材料與電解質(zhì)發(fā)生接觸，負(fù)極開始與電解液反應(yīng)，放出熱量進(jìn)一步提高溫度;

　　(2)電池放氣鼓包階段：鋰電池溫度持續(xù)上升至200℃以上，正極發(fā)生分解反應(yīng)，釋放熱量并產(chǎn)生氣體，使得電解質(zhì)發(fā)生分解，進(jìn)一步升溫;

　　(3)電池?zé)崾Э乇A段：*的溫度，導(dǎo)致鋰電池發(fā)生大規(guī)模內(nèi)短路，電解液燃燒放出大量熱量與氣體，進(jìn)而導(dǎo)致電池燃燒爆炸。

　　電池?zé)崾Э厥请姵匕踩闹匾M成部分，關(guān)于鋰電池?zé)崾Э胤矫娴难芯恳彩卿囯姵匦袠I(yè)研究的熱點(diǎn)。包含鋰電池?zé)崾Э匾蠛蜏y試方法的標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 36276-2018、UL 9540A:2018和UL 1973:2018等。GB/T 36276-2018側(cè)重于檢測儲能用鋰離子電池在發(fā)生熱失控時是否發(fā)生起火、爆炸。

　　如若發(fā)生起火、爆炸，試驗終止且判定型式試驗不合格，直接影響產(chǎn)品的出廠使用;UL 9540A:2018側(cè)重于檢測儲能系統(tǒng)用電芯發(fā)生熱失控時，對其起火特性進(jìn)行評估，獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，以用于確定儲能系統(tǒng)防火防爆措施;UL 1973:2018側(cè)重于檢測電池系統(tǒng)中電芯發(fā)生熱失控時，對周圍電芯及電池系統(tǒng)的影響，獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，以便通過電芯設(shè)計減少單個電芯失效時對整個電池系統(tǒng)的影響。

　　GB/T 36276-2018和 UL 9540A:2018觸發(fā)電芯熱失控的方法均為加熱法[2]。UL 1973:2018除采用外部加熱法外，提供了多種觸發(fā)熱失控方法，包括內(nèi)部缺陷類：導(dǎo)電污染物、隔膜破壞、內(nèi)部加熱器;外部應(yīng)力類：外部加熱器、擠壓機(jī)制、針刺、短路、過充。

　　為了能夠更準(zhǔn)確地對鋰電池的熱安全性能進(jìn)行評估，研究者希望能夠在絕熱實驗環(huán)境下對鋰電池進(jìn)行熱失控測試，測試的關(guān)鍵儀器為電池絕熱量熱儀。電池絕熱量熱儀通過追蹤電池溫度變化，并動態(tài)調(diào)節(jié)環(huán)境溫度，可消除電池與環(huán)境之間的溫差，從技術(shù)層面實現(xiàn)系統(tǒng)的熱動態(tài)封閉。在這種絕熱測試環(huán)境下，電池的溫度變化必然是自身吸放熱導(dǎo)致的。因此通過絕熱量熱儀可以準(zhǔn)確測定電池?zé)崾Э剡^程中的關(guān)鍵參數(shù)。

 圖2 GB/T36276-2018 熱失控試驗加熱裝置示意圖[2]

　　以18650電池為例，可利用小型電池絕熱量熱儀進(jìn)行測試。利用儀器的H-W-S工作模式進(jìn)行熱失控實驗，可以得到如圖3所示的電池?zé)崾Э販厣€。曲線前半部分為“H-W-S” 模式，儀器將通過外部加熱實現(xiàn)電池臺階式升溫，并重復(fù)進(jìn)行加熱-等待-搜尋過程，直至檢測到鋰電池開始自放熱。

　　隨后儀器將自動跳轉(zhuǎn)為“絕熱追蹤”模式，電加熱系統(tǒng)將控制電池周圍的環(huán)境溫度緊跟電池溫度變化，確保電池產(chǎn)熱*用于升高自身溫度。通過鋰電池?zé)崾Э厍€，我們可以對其中一些特殊的溫度點(diǎn)進(jìn)行測定和分析，評估電池的熱安全性能。

　　例如，Tonset是鋰電池自放熱起始溫度，電池自產(chǎn)熱速率高于0.02 ℃/min，可以認(rèn)為該溫度下SEI膜開始分解。高于此溫度，電池將出現(xiàn)明顯的自產(chǎn)熱;而TTR是熱失控引發(fā)溫度，一般定義為電池的自產(chǎn)熱速率高于1℃/s 的溫度。在此溫度后，電池將出現(xiàn)劇烈溫升，溫升速率可能高達(dá)105 ℃/min，同時一般會伴隨產(chǎn)生大量的光和熱;Tmax是鋰電池?zé)崾Э剡^程能達(dá)到的最高溫度。

 圖3 18650電池?zé)崾Э販y試溫升曲線

　　小型電池絕熱量熱儀僅能滿足18650等小型鋰電池的熱失控實驗需求，而體積和容量較大的鋰電池或模組需要使用腔體尺寸更大、功能更豐富、防護(hù)等級更高的大型電池絕熱量熱儀進(jìn)行測試。大型電池絕熱量熱儀不僅能夠通過程序升溫等熱濫用方式誘發(fā)電池?zé)崾Э?，還可以進(jìn)行過充、過放、外部短接等電濫用以及針刺、擠壓等機(jī)械濫用實驗，并測定熱失控相關(guān)數(shù)據(jù)。

　　另外，大型電池量熱儀還可以通過內(nèi)置攝像頭直觀地觀察實驗現(xiàn)象。經(jīng)了解，熱失控發(fā)生后，伴隨著溫度急劇變化，電池將經(jīng)歷發(fā)生氣體噴出、火焰噴射、燃燒和熄滅結(jié)束四個階段。研究表明，電池?zé)崾Э剡^程產(chǎn)生的烷烴類氣體和電解液蒸氣與氧氣混合后極易被引燃，隨即可發(fā)生爆炸式燃燒[3]。

　　最后，仰儀科技倡導(dǎo)，安全無小事，希望大家不要將電瓶車或電池帶入電梯及家中等狹小密閉的空間。

　　注：

　　[1] Feng X , Ouyang M , Liu X , et al. Thermal runaway mechanism of lithium ion battery for electric vehicles: A review.

　　[2] 鋰電池?zé)崾Э?擴(kuò)散發(fā)生機(jī)理、預(yù)防措施及標(biāo)準(zhǔn)檢測方法淺析.北京鑒衡認(rèn)證中心

　　[3] 孫金華,王青松. 鋰離子電池火災(zāi)防控技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用.中國消防協(xié)會科技成果鑒定會.2021:2

　　[4] 羨學(xué)磊，董海斌等. 三元鋰離子動力電池?zé)崾Э丶盎馂?zāi)特性研究，《儲能科學(xué)與技術(shù)》 2020. 19(01):239-249