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浅谈为何高温会严重影响锂离子电池的安全性

浏览: 发表时间:2023-06-01 00:00:00

今天我们就来聊聊动力电池温度控制的那些事。相信有了解过的朋友一定都很清楚动力电池对温度极为敏感,***使用温度大约在25±5℃,但不是所有配方的锂离子电池都是这个区域,因为每种配方都有***适合自己的充放电特性。

就锂离子电池大家族而言,一般充电的可控温度区间在0℃到45℃之间,太低温就无法充进去,比如某马就弄了个小柴油机给北方用户在冬季加热电池;太高温了也充不进去,比如BMS会将保护温度设定在45℃到55℃左右,充电升温到45℃的时候,BMS将充电电流降低,或者停止充电一段时间再继续充电。

锂离子电池放电的温度区间宽一点,一般在-20℃到45℃之间。北方用户都知道智能手机冬季在户外时不时会黑屏重启或者直接就开不了机,这就是因为电池内部活性已经没了;放电高温就更好理解了,用手机玩个手机就能感受到温度急剧上升,笔记本电脑运作大型游戏也会过热甚至自动关机。

锂离子电池凭借着优异的能量密度、循环寿命和功率性能,在化学储能领域取得了极大的成功。有关锂离子电池来说,目前业内尚未有明确的理论支撑其各温度性能下的内阻、放电平台、寿命、容量等必然联系,相关的计算公式和数学模型还在摸索阶段。大体上,锂离子电池对0-40℃这个区间的温度并不敏感,然而一旦温度超过这个区间,寿命和容量会打折扣。

经常大量的实验证明,不同温度下磷酸铁锂配方锂离子电池经历多次循环之后的电池性能,可见高温在控制变量下是极具摧毁性的性能衰减因素。

不过特殊电池也是有的,比如军事用途的电池可以承受-50℃或85℃的极端温度,注意是“或”,要么是超低温电池,要么是超高温电池。这些电池可以给我们的高原战士提供单兵信息化装备的超低温电源,给陆海空军甚至火箭军部队提供耐受超高温的电源。

此外,还有一种宽温电池,能做到-40℃到70℃左右,它不是一个电池单体,而是一种非常贵的装置,里面有条件让电池耐受更宽的温域。

电池热失控的机理

六成新能源车着火事故是电池本身热失控引起的,三成是充电事故,只有3.6%左右是因为行驶事故中的撞击。

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自2021年1月1日实施的动力电池安全新国标GB 38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》,并未引入穿刺试验,现有的试验则分为几类,其中电池单体进行过放电、过充电、外部短路、加热、温度循环、挤压试验,电池包或系统进行振动、模拟碰撞、挤压、湿热循环、浸水、热稳定性、温度冲击、盐雾、高海拔、过温保护、过流保护、外部短路保护、过充电保护过放电保护试验。

在所有的环境因素中,温度对锂离子电池的充放电性能影响***。一般锂离子电池行业的人都了解,锂离子电池的充放电状态是否稳定,温度的变化起到了很大的影响因素,锂离子电池在高温和低温环境下充放电,电池的容量保持率就有所下降。相信大家都有类似感受,锂离子电池冬天使用时间比夏天短。可见锂离子电池性能是受环境温度影响的,而且还受到了很大的影响。

假如温度下降,电极的反应率也下降,假设电池电压保持恒定,放电电流降低,电池的功率输出也会下降。温度上升则相反,即锂离子电池输出功率会上升,温度也影响电解液的传送速度温度上升则加快,传送温度下降,传送减慢,电池充放电性能也会受到影响。但温度太高,超过45,会破坏电池内的化学平衡,导致副反应。

在低温充电低于0℃时,会增大电池内压并可能将安全阀开启。低温环境会降低锂离子的活性,使得内阻增高,电池放电能力变弱,使用时间缩短。假如锂离子电池处于低温环境的时间较短,不会对电池容量出现损害。温度回升之后,性能也会恢复。不过,假如锂离子电池长时间在低温环境下工作和充放电,电池阳极表面会析出金属锂,这是个不可逆的过程,会对锂离子电池容量造成***性损害。

为了防止热失控,应该做哪些措施?

包含且不限于:

改良BMS与冷却系统

改良BMS电池管理策略,尽量避免过充电和过放电,外部短路尽快处理,热失控早期进行预警,热失控后系统自动通知消防和医院(以后或许可以OTA成功)。

冷却系统的效率也很重要,风冷廉价但极限低,液冷昂贵但靠谱些。一套好的冷却系统不是在电池热失控时进行损管,而是提供一套“让电池始终舒适”的温控方案,尽可能延缓锂枝晶生长的速度。

改良电池配方

提升正极、负极、电解液、隔膜的热稳定性是很难的事情,特别在高镍/低钴无钴配方盛行的时代背景下。高镍意味着高容量(炸弹内馅更丰满),低钴无钴意味着低稳定性,这种正极材料将是目前和将来多年的主流。

更坚韧的SEI隔膜,更稳定的固态电解质,这些都是可能实现的解决方案之一。如果能延长热失控的时间,将逃生时间从2分钟增加到30分钟左右,新能源汽车自燃的致死概率将大幅度降低。

目前***容易实现的方案应该是增加更多阻燃剂或其他辅助剂,让电池配方更加不容易自燃。现在已有厂商宣称造出了“只冒烟不自燃”的电池,是否真实还得看上车上路后的效果。

动力电池配方们现在很纠结,我们一方面要求它足够活泼,充电速度快、放电功率大;一方面要求它足够淡定,遇到撞击、浸水、加热、过充放都不会热失控。

这很人格分裂好不好。对了,成本还不能高,高了卖不掉。“我要五彩斑斓的黑色”,害,一听需求就知道是老甲方了。

加强电池包结构

防尘、防水、隔热、阻燃、防呆,这些项目都可以继续加强,但成本和重量可不能无限制加上去。 

泄压阀当然还是要有,防止爆炸当然是好事,不过肯定会有副作用,2019年4月上海徐汇区裕德路泰德花苑小区地下车库的Model S自燃就对旁边泄压,把旁边的奥迪直接烧透了。

优化电池包布置方式 

在电池包箱体有限空间内,一定数量电池单体通过特定机械连接和电连接组成电池模组。 

根据车用电池包的空间形状与承载特点,电池模组串并联排布组成动力电池系统,电池包中模组布置和结构形式差异较大。

电池单体常用类型有圆柱形、方形铝壳和软包铝塑膜等,此外电池包内部还布置有BMS控制器、高压线束等辅助功能部件。

动力电池包的布置形式通常由整车空间特征决定,需考虑车辆驱动方式、整车重心位置与离地间隙等因素。

动力电池包生产企业根据整车企业需求,开发出模组排布不同、电池包箱体形状和安装吊耳位置各异的车用动力电池包。 

经过不断研究与发展,电池包常用结构布置形式有车身底部悬置式、车身结构一体式和标准箱体分布式等。 

保温隔热阻燃材料布置

电池包内使用的保温隔热材料除了导热系数低之外,还需具备阻燃、绝缘、柔软杠高温和质量轻等特点。

德耐隆改性耐火保温隔热毡复合材料作为电池包的保温层,其形状可根据实际需求进行裁剪加工,由于电池包内模组表面形状不规整,周边布置有高压铜排和低压线束,因此将保温层仿形粘贴在下箱体和上壳体内壁。

新能源汽车的电池包在低温工况下的加入保温层设计,采用德耐隆改性耐火保温隔热毡复合材料作为电池包内的保温材料,通过温度试验测试,在-25℃的低温工况下,装有保温层的电池包在降温速度上明显比没有使用保温材料的要相对减小,对于这个保温设计方法在电池包内具有较强的适用性, 能够提高动力电池在低温环境地区的使用性能。

德耐隆Telite®产品由二氧化硅及陶瓷纤维毡复合制备而成,产品内部具有纳米级空隙可以减慢热传导,同时通过阻挡三种热传导方式(对流,传导和辐射)来完成耐热保温。由于其导热系数低(不高于0.02W/m.k),穿选材料的热量不断弱化,材料低吸热性能保持低热量幅射输出水平,从而确保降低热量损耗(或侵入)。

特性

绝缘电阻:100MΩ(1000v绝缘电阻表)

介电强度:≥2000V/min无击穿,无闪络

耐火焰1200℃(5分钟不烧穿)、无粉化无痒

符合环保标准、在火焰中燃烧时不产生有毒有害气体

技术指标

产品密度150kg/m³(GB/T5480-2008)

长期服务温度 -200℃至1200℃ (GB/T17430-1998;ASTM C 447)

压缩强度(变形10%:≥67kPa;变形25%:≥250kPa)

产品憎水率≥98%(GB/T10299-2011)

导热系数不高于0.02W/m.k(GB/T10295-2008;ASTM C 447)

加热线收缩率<2%@650℃(ASTM C 356)

燃烧等级 A级(GB 8624-2012)

外部升温导致锂离子电池内部温度不稳定,进一步提升内部短路并损坏附近任何组件的风险。这仅发生在无内部支撑的锂离子电池身上。而内部有铜质支撑物的锂离子电池,加热超过250度,导致电池核心崩溃,进而让铜质支撑物融化,内部温度超过1000摄氏度,热量迅速向外扩散,从而造成热失控。

所以适当使用隔热阻燃材料的应用有助于提高电池内部的热稳定性。

总结

动力电池包安全防护的根本原则是:阻止电能和化学能在系统正常运行状态和某些非正常状态下(法律法规、标准所规定的情况,以及典型的失效情况)以不可控的方式释放,或减轻其不可控释放所带来的危害。安全的防护设计是一个系统工程,切勿从局部入手,仅根据某些典型的失效案例,采取有限的应对措施,或者仅根据国外和国内标准的要求,简单通过相关的测试和认证。

在锂动力电池成组技术中,***重要的是电池管理系统,它是动力电池包的“大脑”,它像“管家”一样,包揽所有的工作,从监控每一级动力电池物理变量,环境温度,到系统级动力电池包性能估计,在线诊断与预警,充、放电与预充控制,热、冷管理等。大电流主动均衡技术是电池管理系统中***核心的技术,它需要解决的是动力电池包在使用过程中衰减的问题,也就是要确保续航里程稳定及可预测的问题。


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