鋰離子電池熱失控過程,不同鋰電池熱失控反應一樣嗎?

來源：存能電氣  日期：2020-03-10 16:15  瀏覽量：次

鋰離子電池熱失控過程，不同鋰電池熱失控反應一樣嗎？目前汽車動力電池系統(tǒng)的安全問題就是電池成組安全問題。近年發(fā)生的汽車動力電池事故均是由于鋰電池組中的某一個電池單體發(fā)生熱失控后產(chǎn)生大量熱，導致周圍電池單體受熱產(chǎn)生熱失控。電池組內(nèi)的熱失控蔓延問題就是電池成組安全問題的主要關(guān)注點。

對于鋰離子電池而言，熱失控是最嚴重的安全事故。鋰離子電池熱失控源于產(chǎn)熱速率遠高于散熱速率，大量的熱量在鋰離子電池內(nèi)部積累，引起鋰離子電池溫度的快速升高，導致隔膜收縮、熔化，正負極活性物質(zhì)分解等自發(fā)的放熱反應，引起鋰離子電池起火和爆炸。

鋰離子電池熱失控過程

電池熱失控都是由于電池的生熱速率遠高于散熱速率，且熱量大量累計而未及時散發(fā)出去所引起的。從本質(zhì)上而言，“熱失控”是一個能量正反饋循環(huán)過程：升高的溫度會導致系統(tǒng)變熱，系統(tǒng)變熱后溫度升高，有反過來讓系統(tǒng)變得更熱，不嚴格的劃分，電池熱失控可分為三個階段：

1、電池內(nèi)部熱失控階段

由于內(nèi)部短路、外部加熱，或者電池自身在大電流充放電時自身發(fā)熱，使電池內(nèi)部溫度升高到90℃～100℃左右，鋰鹽LiPF6開始分解；對于充電狀態(tài)的碳負極化學活性非常高，接近金屬鋰，在高溫下表面的SEI膜分解，嵌入石墨的鋰離子與電解液、黏結(jié)劑會發(fā)生反應，進一步把電池溫度推高到150℃，此溫度下又有新的劇烈放熱反應發(fā)生。

2、電池鼓包階段：鋰電池溫度達到200℃之上時，正極材料分解，釋放出大量熱和氣體，持續(xù)升溫。250-350℃嵌鋰態(tài)負極開始與電解液發(fā)生反應。

3、電池熱失控，爆炸失效階段：在反應發(fā)生過程中，充電態(tài)正極材料開始發(fā)生劇烈分解反應，電解液發(fā)生劇烈的氧化反應，釋放出大量的熱，產(chǎn)生高溫和大量氣體，鋰電池發(fā)生燃燒爆炸。

不同鋰電池熱失控反應一樣嗎?

在外部加熱時，所有鋰電池都會產(chǎn)生熱失控釋放煙霧和氣體。對于大約一半的工作電芯，在熱失控后約15秒內(nèi)，積聚在烘箱中的氣體被點燃導致氣體爆炸，并伴隨著主要的煙氣釋放過程。無論是否曾經(jīng)循環(huán)過的電芯，并沒有影響氣體爆炸的發(fā)生，它們發(fā)生在0-300個全深循環(huán)的所有循環(huán)老化水平。

與其他類型的電池相比，鋰離子電池發(fā)熱較大，其氣體排放，爆炸、起火的風險更高。這些風險還遠遠沒有被充分理解，而通過研究和事故分析是有可能提高系統(tǒng)安全性的。風險的類型和嚴重程度取決于不同的應用和電池系統(tǒng)的大小。由于電池和模塊故障的可傳播性，隨著電池系統(tǒng)尺寸的增加，故障后果可能會顯著增加。

鈷酸鋰電池熱失控溫度最高，可達850攝氏度；鎳鈷錳三元鋰電池次之，可達670攝氏度；磷酸鐵鋰電池沒有明顯的熱失控熱性，最高溫度約400攝氏度。熱失控過程的動力性很明顯取決于鋰離子電池的能量，鈷酸鋰電池比能量最高，溫度變化、氣體排出也最劇烈。

熱失控的因素很多，總的來說分為兩類，內(nèi)部因素和外部因素。內(nèi)部因素主要是：電池生產(chǎn)缺陷導致內(nèi)短路；電池使用不當，導致內(nèi)部產(chǎn)生鋰枝晶引發(fā)正負極短路。外部因素主要是：擠壓和針刺等外部因素導致鋰離子電池發(fā)生短路；電池外部短路造成電池內(nèi)部熱量累積過快；外部溫度過高導致SEI膜和正極材料等發(fā)生分解。

以上就是鋰離子電池熱失控過程和不同鋰電池熱失控的反應。一般熱失控發(fā)生之后會往下傳播，比如第一節(jié)熱失控之后會有傳熱開始傳播，然后整組像放鞭炮似的一個一個接下來。總之在熱失控擴展和抑制方面，研發(fā)人員要從安全保護設計和鋰電池管理系統(tǒng)兩個方面著手。