锂电池的热失控及技术分析.pptx

锂电池的热失控及技术分析 电池过热恶性循环 不同温度下电池的放电效率不同，通常18℃~45℃下磷酸铁锂电池的效率能在80%以上，温度越高，效率越低，浪费的效率形成更多的产热，导致恶性循环——越低的功率，越高的温度。高温对电池极为有害，不仅影响电池使用寿命，还可能危及电池安全。 热失控事件 2013年1月，美国发生两起波音787充电锂电池过热冒烟事故。 2013年10月，西雅图一辆高速行驶的特斯拉，被路面硬物刺中电池组，车主提前20分钟收到感应器的警报而弃车。这是由于电池被刺穿短路而引起的热失控。 2015年4月，深圳湾口岸加电站内，一辆深圳电动大巴起火。这是由于电池高倍率充电而引起的热失控。 2015年7月，厦门港务大厦旁的东渡公交停车场内，有11辆公交车遭到火烧。 2015年10月，美国出现10多起扭扭车起火爆炸事件。这是由于电池过充引起的热失控。 挪威一辆特斯拉在超级充电站充电时突然起火。这是由于低温、高倍率充电引起的热失控。 热失控给行业的困扰 安全隐患：这些事故给行业造成很大的困扰。 大势所趋： 有些专家解释称电动汽车取代燃油车是大势所趋，不能因为几次意外而否定新能源车。 特斯拉Elon Musk也引用了这样一组数据解释：美国每年有 15 万起汽车着火事件，而美国人每年的驾驶总里程是 3 万亿英里，即每 2000 万英里就有一辆车起火。特斯拉的总驾驶里程为 1 亿英里，有了第一起起火事件，燃油车遭遇起火的概率 5 倍于特斯拉。 而累计 6 次起火后，特斯拉的起火概率似乎与燃油车扯平。似乎也能说的过去。 但是为了长久新能源车的发展，更好的保障电动汽车和生命财产的安全，电池的热失控已经当下成了一个研究热点。 热失控定义及产生原因 定义：热失控属于BMS中热管理失控的状态，电池在充放电使用下，会因为各种内部电化学反应产生热量，如果没有良好的散热体系，产热在电池内部堆积，逐渐出现功率降低，甚至出现爆炸燃烧等危险情况，这就是热失控。 产生原因：电池产热受充放电倍率、内阻、放电深度DOD、当前SOC、容量等内在因素和环境温度、散热方式等外在因素影响而产生。 热失控的影响因素1 充放电倍率充放电倍率越高，电流越大，内阻越大，产热越高。所以在高倍率充电时候，电池生热速率更快，如果散热体系没有及时排出热量，产热将会逐步堆积。 内阻内阻的形成原因和功率输出、DOD、温度等有关，内阻越大，电效率降低，产生更多的热量堆积。特别是在SOC低于20%的时候，内阻急剧升高，此时需要降低电池输出功率，保护电池安全。 热失控的影响因素2 容量电池容量越大，电化学反应越多，产热越多。需要的散热功率越大，如果散热不能满足，产热会越积越多。 环境温度环境温度越高，导致部分风冷热交换系数越低，效果越差。特别是大容量纯电动汽车，风冷很难满足散热需求了。 散热方式为了避免热失控，通过风冷、液冷和相变材料等的散热的方式，不同的散热方式效果不同，但今天我们只是研究引发热失控的原因，究其原理，才能对症下药。 热失控的状态研究1 参与热失控反应的有SEI膜分解、正负极以及电解液，当电池热量逐步堆集，以下以钴酸锂为参考。 80摄氏度电池温度升高到80℃时候，负极SEI膜分解放热，进一步增加电池产热速率； 135摄氏度135℃并不是一个确定的值，而是表示隔膜熔断温度。图中，131.24℃有一个吸热峰，隔膜吸热熔断，正负极短路，后续便产生更激烈的放热反应。 热失控的状态研究2 155摄氏度以后隔膜熔断之后，温度迅速升高，期间负极和电解液反应、正极与电解液反应、电解液自身分解，材料不同，反应顺序不同，反应温度也不同。热失控的判断标准是电池表面达到100℃，由隔膜熔断，正负极短路，电池表面很快达到300℃，最高升温速率达到220℃/min，反应十分剧烈，电池因此起火爆炸燃烧。 总结和展望 热失控的反应十分复杂，大体来说，SEI膜的分解给予电池初始的热量积累，导致隔膜的熔断分解，由此带来正负极和电解液、电解液自身的放热、产气反应。 在反应过程中的任何步骤改善都能带来更高的热稳定性和电池安全性： 比如对SEI膜进行界面改造，可以提高初始放热温度； 比如陶瓷隔膜更高的熔断温度、更低的内阻； 比如更优良的散热方式，特别是相变材料散热。 这些技术都能增加电池热稳定性，给新能源汽车的未来保驾护航。