本文利用BAC-420A大型电池绝热量热仪对130Ah 9系超高镍NCM三元锂离子电池的绝热热失控行为进行了研究,填补了行业内缺乏大容量超高镍电芯热失控数据的空白。

9系超高镍三元锂离子电池是指正极材料元素比值为Ni:Co:Mn=9:0.5:0.5的三元锂离子电池,作为短期内已经将锂电池正极材料的潜力发挥到最大的方案,9系锂电池的理论能量密度甚至超过了300Wh/kg。

由于9系锂电池具有超高的能量密度,受到了致力于提高新能源汽车续航里程的主机厂的密切关注。但高能量密度伴随着潜在的高危险性,因此获得9系电池的热失控特征参数尤为重要,但是9系锂电池的热失控过程非常剧烈,有较大概率会损伤仪器,因此9系锂电池的绝热热失控实验数据十分缺乏,电池热管理设计也缺少实验数据的支撑。

本文利用杭州仰仪科技有限公司BAC-420A大型电池绝热量热仪进行了130Ah的9系NCM超高镍锂离子电池的绝热热失控测试,获得该电池热失控过程的相关热力学特征参数等信息。相关结果有助于帮助研究人员明确9系电池的热失控危害性,优化电池安全设计。

实验部分

1.样品准备

实验样品:130Ah 9系NCM锂离子电池*1,260mm*100mm*25mm,100%SOC。

2.实验条件

实验仪器:杭州仰仪科技BAC-420A大型电池绝热量热仪;

工作模式:HWS模式、温差基线模式;

标准铝块:6061铝合金材质。

图1 BAC-420A大型电池绝热量热仪

3.实验过程

3.1 温差基线校正:利用与电池大小形状一致的标准铝块进行温差基线模式实验,对热电偶及仪器进行校正;

3.2 标准铝块HWS实验:利用标准铝块进行HWS模式实验,验证温差基线校正的效果及实验过程中仪器的绝热性能;

3.3 电池HWS实验:为了防止9系电池热失控损坏炉腔,因此在电池外部增加了如图2所示的金属网防护罩,以HWS模式进行绝热热失控实验;

图2 9系电池实验安装示意图及实物照片

3.4 标准铝块HWS实验:电池HWS实验结束后,用标准铝块重新进行HWS验证实验,用于验证热失控后仪器功能是否正常及传感器漂移程度。

实验结果

图3 电池绝热热失控(a)温度-压力曲线及(b)温升速率-温度曲线

如图3(a)所示,电池在82.68℃下的自放热温升速率达到了0.02℃/min的Tonset检测阈值;在131.67℃达到泄压温度Tv,泄压阀打开;随后在169.49℃达到热失控起始温度TTR (60℃/min),电池发生热失控,数秒内温度快速升高至约1090℃,最大温升速率(dT/dt)max超过40000℃/min。并且通过图4所示的抗爆箱内外部的监控画面,可以发现电池的热失控过程十分剧烈,在极短的时间内喷射出强烈的射流火及大量浓烟,同时瞬间产生的高温高压气流对实验室墙面产生了一定的冲击作用。

图4 (a)防爆箱内部视频及(b)防爆箱外部视频（查看原视频请搜索“仰仪科技”官网）

图5 电池残骸照片

通过观察电池残骸可以发现,泄压阀位置完全崩裂,同时电池残骸基本仅剩外部铝壳,内部电池材料几乎全部从泄压口喷出,热失控后电池的质量损失率达到了85.97%,也侧面表明了9系电芯的热失控剧烈程度。

图6 电池热失控前(a)后(b)铝块HWS模式实验曲线

在电池实验前,通过标准铝块的HWS实验验证了仪器良好的绝热性能,如图6(a),每个温度台阶铝块的温升速率均小于±0.002℃/min;电池测试后,为了确认仪器能否在承受9系锂电池的剧烈爆炸后仍然能正常使用,重新进行一次标准铝块的HWS实验。通过图6(b)可以发现,实验过程中仪器运行良好,并且每一个台阶的温升速率均低于±0.002℃/min,绝热性能依然优异,说明仪器功能完好,同时传感器未出现明显漂移。

大容量9系超高镍NCM锂电池绝热热失控的剧烈程度高,实验室应具备足够的泄压泄爆面积(建议50平米以上),同时实验室墙面应进行加固。

仰仪科技BAC-420A大型电池绝热量热仪具有优异的耐压和抗爆性,能够承受大容量超高比能电芯的热失控爆炸冲击。