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NASA:18650电池热失控行为的详细研究

  次浏览  新能源Leader  2020/04/07

在特斯拉的引领下,18650电池在电动汽车中已经成为了一股重要的势力,众多品牌的电动汽车都采用了18650电池。相比于软包和方形电池,18650电池经过二十多年的发展,不仅技术成熟,配套厂家众多,同时作为一种标准化产品,其良品率要显著高于其他形式的电池,因此18650电池在成本、可靠性上都比其他类型电池具有优势。但是采用18650电池做动力电池包就不得不面临一个问题——电池包内电池数量庞大,我们以特斯拉早期的电池包为例,整个电池包内的18650电池数量达到7000只左右,因此对热管理系统提出了巨大挑战。


流量不够的朋友,也可以通过以下动图感受下热失控时刻:


热管理系统的一个重要的功能就是防止电池组内单体电池热失控和热失控的蔓延,这就需要我们掌握单体电池的热失控中释放的总热量和电池喷发释放的热量的准确数据。美国NASA旗下的约翰逊航空中心(JSC)的William Q. Walker(第一作者,通讯作者)采用一种特殊设计的量热器对不同厂家、不同型号的18650锂离子电池在热失控中热量释放数据进行了测量,研究显示电池的能量密度和电池的结构设计都对锂离子电池的热失控行为具有显著的影响


传统的量热装置只能够测量电池在热失控中释放出的总热量,但是这无法满足热管理系统对热失控数据准确性的要求,因此William Q. Walker设计了一种量热装置(如下图所示),不但能够对锂离子电池在热失控过程中释放的总热量进行测量,还能够测量电池喷发物所释放的热量。该量热器的结构如下图所示,特殊的设计能够满足只有顶部防爆阀的18650电池,以及底部和顶部都有防爆阀的18650电池的热失控测量。


实验中测试的电池详细信息如下图所示,主要包含了LG18650-MJ1(3.43Ah)、LG 18650 test cell(3.35Ah)、三星18650-30Q(3.0Ah)和MoLiCEL18650-J(2.3Ah),其中MoLiCEL的电池分别采用了三种隔膜:1)20um厚的标准聚合物隔膜;2)25um厚的纤维素基Dreamweaver Silver隔膜;3)21um厚的纤维素基Dreamweaver Gold隔膜。LG18650 test cell部分电池采用带有底部防爆阀(BV)设计的壳体结构,部分电池还内置了短路装置(ISC),部分电池则采用了不同厚度的外壳(CT),其中部分采用了250um厚的标准壳,部分则采用了更薄的225um壳。

下图为几种电池在热失控中每次实验释放的能量与平均值之间的偏差关系(每种电池都进行了多次实验),从图中我们能够看到MOLiCEL的18650电池释放的能量为37.4kJ,标准差为2.8kJ,三星18650-30Q电池释放的能量为59.7kJ,标准差为3.5kJ,LG的18650 test cell释放能量为63.3kJ,标准差为4.6kJ,LG的18650 MJ1电池释放的能量为75.2kJ,标准差为6.6kJ。不难看出,电池的容量越高在热失控中释放出的能量也就越多,并且随着电池能量密度的提高,单位容量释放的能量也就越多,能量密度最低的MOLiCEL电池Ah释放的能量仅为15.8kJ,而能量密度最高的LG 3.5Ah电池每Ah释放的能量则高达21.45kJ

下图为采用普通标准聚合物隔膜S1的MOLiCEL电池和采用纤维素隔膜S2的MOLiCEL电池的热失控曲线,从图中能够看到采用普通隔膜的电池在热失控中释放的能量要比纤维素隔膜少3.4kJ,当然这并不是说普通隔膜更为安全,这主要是因为纤维素隔膜的热稳定温度可以达到190℃以上,而普通聚合物隔膜的热稳定温度往往在150℃左右,这就导致采用纤维素隔膜的电池在触发热失控时需要更高的温度,从而引起电池在热失控中释放更多热量。


电池壳体厚度对于锂离子电池的热失控行为也有显著的影响,首先是从热失控的触发难度上,从测试结果来看壳体厚度为250um厚的18650电池需要更多的热量才能出发热失控(250um厚18650电池加热时间为107.2s,220um厚18650电池需要加热88.1s),同时厚壳的电池在热失控中释放的能量也要比普通壳的电池少3.4kJ,但是在热失控后电池剩余重量方面厚壳电池要比薄壳电池少1.3g,这可能是因为较厚的壳体导致电池内部积聚了更大的压力。

底部防爆阀设计也能够显著的改变锂离子电池的热失控中行为,从上图中的两条黑色虚线我们能够注意到具有底部防爆阀设计的18650电池在热失控中释放的热量要比没有底部防爆阀设计的电池少3.9kJ,同时热失控后我们称量电池残骸质量能够发现,具有底部防爆阀设计的电池比普通电池质量重6.5g,表明具有底部防爆阀设计的电池在热失控中被喷出的物质要明显少于普通电池,这能够显著的减少电池组内热失控扩散的风险。

下图为不同类型电池在热失控中释放能量的途径,从下图a中能够注意到LG的18650-MJ1电池热失控释放的能量为74.9kJ,其中21.7%通过外壳释放,74.7%通过电池的上盖喷发释放,3.6%通过底部喷发释放。从下图d能够看到,具有底部防爆阀和220um厚壳体的18650电池在热失控中释放的能量为61.8kJ,其中35.7%通过壳体释放,40.4%通过电池顶部的防爆阀释放,23.8%通过电池底部的防爆阀释放,而没有防爆阀的220um厚18650电池(下图e)释放的能量为66kJ,其中27.3%通过电池壳体释放,71.9%通过电池上盖的防爆阀释放,0.8%通过电池底的防爆阀释放。三星的18650-30Q电池热失控释放能量59.6kJ(下图g),其中18%通过壳体释放,79.8%通过电池上盖的防爆阀释放,2.2%的能量同多电池底部释放。MOLiCEL的18650-J电池热失控释放能量为35.3kJ(普通隔膜,下图h),其中50.3%通过壳体释放,47.2%通过电池的上盖释放,2.6%通过电池的底部释放。

William Q. Walker的研究显示,在18650电池热失控中仅有20-30%的能量是通过电池壳体释放的,其他大部分能量都是通过防爆阀喷发释放的能量密度对于锂离子电池的热失控行为具有显著的影响,能量密度更高的电池不仅在热失控中释放的总能量更多,单位容量释放的能量也更多此外电池的结构设计也对电池的热失控行为有显著的影响,具有底部防爆阀的设计的电池不仅热失控中释放的能量更少,从防爆阀喷出的物质量也更少一些,对于减少热失控在电池组内的蔓延具有重要的意义


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Decoupling of heat generated from ejected and non-ejected contents of 18650-format lithium-ion cells using statistical methods, Journal of Power Sources xxx (xxxx) xxx–xxx, William Q. Walker, John J. DarstDonal P. Finegan, Gary A. Bayles, Kenneth L. Johnson, Eric C. Darcy, Steven L. Rickman



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