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鋰離子電池熱失控機理解析

轉載。

鄧軼康

當熱失控發(fā)生時(shí),電池的熱失控過(guò)程如下圖所示:

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從圖中可以看出,當隔膜熔融,電池發(fā)生不可逆的產(chǎn)生鏈式反應時(shí),電池溫度將急劇升高,可能導致火災甚至爆炸。為了降低鋰電池的火災爆炸危險,對于熱失控機理的掌握變得尤為重要。

首先,需要明確,觸發(fā)鋰電池熱失控的濫用條件主要包括三個(gè)方面:機械濫用、電濫用和熱濫用。這三種濫用條件的熱失控觸發(fā)機理如下:



01

機械濫用

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機械濫用可以進(jìn)一步分為碰撞擠壓和穿刺兩種情況。

(1)碰撞或擠壓

在碰撞和擠壓情況下,電池往往會(huì )受到外界的力量作用,導致電池隔膜受損,這可能引發(fā)內部短路,并釋放大量的熱量。這種熱失控的機理在于外界碰撞或擠壓造成電池內部的短路,熱量的釋放加劇了問(wèn)題的惡化。以下圖為例,電池隔膜在擠壓后的變化,擠壓后隔膜產(chǎn)生透明區域,變得脆弱,在幾個(gè)充放電循環(huán)后,隔膜破裂,發(fā)生內部短路,進(jìn)而引發(fā)熱失控。

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(2)針刺

當電池收到穿刺時(shí),往往會(huì )觸發(fā)一種類(lèi)似“糖葫蘆”型的微短路電池結構。在這種情況下,針刺將直接影響電池的內部結構,釋放熱量,并且針刺會(huì )產(chǎn)生接觸電阻,引發(fā)歐姆熱。隨著(zhù)熱量的積累,隔膜收縮,導致大規模的內部短路,最終觸發(fā)熱失控,下圖為電池受到針刺后內部短路現象的示意圖。

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02

電濫用

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電濫用分為內部短路、外部短路、過(guò)度充電和過(guò)度放電四種模式,在這里主要介紹內部短路和過(guò)度充電這兩種具有代表性的情況。

(1)內部短路

內部短路的產(chǎn)生常常會(huì )伴隨著(zhù)溫度的迅速升高,內部短路通常是由于隔膜受損,導致電池的正負極直接接觸所引發(fā)的。短路會(huì )釋放大量的熱量。這一過(guò)程還可能引發(fā)附近隔膜的斷裂,引發(fā)熱失控在電池內部的傳遞,最終電池結構發(fā)生變化,隔膜繼續收縮,進(jìn)一步導致大規模的內部短路,最終觸發(fā)熱失控。下圖為高速x射線(xiàn)攝像機拍攝的電池內部短路后熱失控傳播的現象:

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(2)過(guò)度充電

如下圖所示,鋰電池在充電過(guò)程中,鋰離子會(huì )從陽(yáng)極像陰極移動(dòng),而過(guò)度充電會(huì )導致陽(yáng)極過(guò)度析鋰,從而使陽(yáng)極結構崩潰,內阻增加,并釋放熱量和氧氣。氧氣與電解液反應,釋放CO、CO2以及烴類(lèi)氣體,同時(shí)電解液也會(huì )分解,導致產(chǎn)熱加劇,最終觸發(fā)熱失控。

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03

熱濫用

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熱濫用的是一個(gè)逐漸升溫的過(guò)程,根據任東升等人的總結,熱濫用條件下電池的熱失控可以分為以下四個(gè)階段:

(1)自產(chǎn)熱階段,陽(yáng)極反應發(fā)生,電池開(kāi)始升溫;

(2)隔膜開(kāi)始收縮引發(fā)內部短路,但電池內阻很高幾乎不產(chǎn)生焦耳熱;

(3)陽(yáng)極反應加劇,釋放更多的熱量和氣體;

(4)陰極反應開(kāi)始,熱失控觸發(fā)。

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了解這些機理可以幫助我們更好地預防和處理鋰離子電池熱失控問(wèn)題,從而提高新能源汽車(chē)的安全性。在未來(lái),我們可以從機理入手進(jìn)行鋰電池安全性的研究,進(jìn)而做到從本質(zhì)上防止鋰電池的熱失控。