電池熱失控有哪些控制辦法？

熱失控控制4大進展

針對熱失控控制進展，歐陽明高做了4個方面解析：第一，內短路和控制內短路的辦法，即BMS。

第二，正極析氧引發的熱失控和電池的熱設計。

第三，負極析鋰跟電解液的劇烈反應導致的熱失控以及充電控制。

倘若這三個機理、三種技術都不能處理熱失控問題，還有最后一招，就是抑制熱蔓延，通過知道熱蔓延的規律，把熱蔓延抑制住，可最終戒備安全事故的發生。

詳盡來看：

第一，內短路和BMS。比如碰撞等機械原由，導致隔膜撕裂；或者是電的原由，充電過充，導致枝晶析鋰，枝晶刺破隔膜；或者是過熱，導致隔膜的崩潰。所有的原由都跟內短路有關，只是內短路的程度不相同、演化的過程不相同，但是最后都會到隔膜的崩潰和熔化。

因此可以利用加熱量熱儀和DSC兩種聯合起來，一個是從材料的放熱來解釋它的機理，一個是從加熱量熱對整個單電池進行熱失控試驗，把熱失控的試驗跟材料放熱特性聯合起來分解。

可以看出，隔膜的熔化會導致內短路，升溫開始，到隔膜崩潰就會形成T2，筆直引發熱失控。還可以使用很多輔助手段，包括各種材料分解手段，以及熱重和質譜聯用的方式，來進行各種物質的分解。

此外，還可從設計角度做很多工作，比方隔膜不太要薄、強度要夠等等，共性問題是戒備內短路。內短路的試驗相對來說比較復雜，沒有成熟的規范的辦法，所以我們發明了一種新的辦法，就是用記憶合金植入電池，加熱到一定溫度，讓記憶合金的鋒利的尖角翹起，觸發熱失控。

研究發現，緊要的內短路有四種類型，有些內短路可以立即引發熱失控，但是有些內短路是緩慢演化的，有些內短路可能就不危險，但有些內短路在演化之后會很危險，還有一些內短路是一直緩變，還有一些內短路從緩變到突變，有各種各樣的類型。

大量試驗聲明，關于演化型內短路的演化規律，是電壓下降，第一個過程緊要是電壓下降。到第二個部分才會有溫升，最后形成熱失控。

關于這種緩變，應當在它的第一個過程，就是電壓下降階段就要把它測試出來進行故障診斷，來戒備它的進一步惡化，這是內短路測試的算法以及對串聯電池包的算法，包括首先是從電壓的一致性來進行分解，某一個電池電壓下掉，說明這個電池有可能有內短路。

還不能確認的話，再加入溫度，倘若演化之后突變的話，再加入可燃氣體的傳感器，這樣對緩變和突變都有方法。

當然還要進行一系列的工程辦法，加入很多工程的相關經驗來進行判斷，要建立數據庫，所以我們選擇跟公司合作，并基于這些算法開發以安全性為核心的新一代電池管理系統。

第二，正極析氧引發的熱失控和電池的熱設計。試驗顯示，沒有內短路照例有熱失控，把電解液去掉，照例有熱失控。

可以看出，放熱峰緊要由正極材料的相變，析氧而來。看看析氧的峰值，正極和負極結合的時候，負極被氧化，倘若不合在一塊有峰值，合在一塊沒了，證明產熱來自正極析氧與負極反應的劇烈放熱。

所以這個機理有哪些？就是正負極的物質交換，就是正極的析氧跑到負極，形成劇烈反應，這樣引發的熱失控。關于沒有內短路的熱失控完全可以依據剛才所有的副反應來建立模型，通過DSC多速率掃描，可以把剛才所有的副反應的反應常數用這個辦法算出來。

當然通過一定的辦法，最后再結合能量守恒、質量守恒就可以算出剛才那個熱失控的完整過程，而且可以和試驗很好地符合。

這樣就可以從相關經驗試錯向基于模型的設計方面發展，當然要有很多數據庫，得出各種材料的反應生成焓和反應的放熱功率的關系。

基于數據庫對材料進行改進，重點的改進緊要是兩條：一是正極材料的改進，二是電解質。首先，從多晶到單晶就可以使析氧的溫度提升100度，可以看出熱失控的特性也變了。其次用高濃度電解質。

當然大家探討更多的今朝是固態電解質，固態電解質非常復雜，我們認為濃電解質本身就有很好的特性。

比如說它的熱重下降了，放熱功率下降了，可以分明看出，正極并不跟電解質發生反應，因為新的電解質用的是DMC，DMC在100度都已經蒸發完了。

我們認為下一步的電解質，不僅僅是固態電解質，更多的是從電解液的添加劑、高濃度電解質、新型電解質大有可為。

第三部分，有關析鋰和充電控制。電池全生命周期安全性中間最緊要的影響因素就是析鋰，倘若沒有析鋰，衰減的電池安全性并不會變差。

另外一種就是快充，快充之后，熱失控發生的更早、更快。這有哪些原由呢？同樣是析鋰，可以看出，析鋰多的、析鋰少的分明不相同。析鋰多的放熱量大，所以依然是析鋰，析出鋰會筆直跟電解液發生劇烈反應，引發大量溫升，可以筆直誘發熱失控。

可以看到這個析鋰的過程，從充電完了到靜置，可以看出析鋰剛開始出來，后面有很大一部分又回去了，這就是析鋰的過程。

剛才的試驗可以從紅線可以看出，分為活性鋰、可逆鋰、死鋰。可逆鋰是可以重嵌入的，而且負極過電勢的變化，靜置階段過電式上升到0以后可逆鋰重嵌入，死鋰則不能重嵌入。

從中得到的提示是，通過可逆鋰這個過程來測試析鋰量，比方說它回去這個過程，這個過程對應了一個電壓上的平臺，我們進行了仿真，也發現了這個平臺。像很低速率充電的時候沒有這個現象，是正常的電壓去極化，沒有這個平臺。

所以這個平臺是很好的信號，平臺的終點我們可以通過微分確定，這是平臺結束的終點，代表了析鋰量，與我們析鋰總量有一個關系，可以通過公式預測。

從試驗也發現，這是一個充電，靜置的過程，通過這種方式我們充電完了之后就可以把它找到，但是這是充完電之后的一個結果，我們可不可以在充電的過程中就不讓它析鋰？能夠在充電中盡可能杜絕析鋰，這就要求助于模型。

這是我們做的簡化的P2D模型，可以看出負極的電位，剛剛說負極電位與析鋰相關，只要控制負極的過電勢，就可以保證不析鋰。通過這個模型就可以推導出不析鋰的充電的曲線，讓它負極電勢始終不低于零，可以得到無析鋰的最佳充電曲線。

可以用三電極標定這條曲線，這樣來做充電算法，我們已經跟公司合作，可以分明看出，利用這個算法可以完全實現不析鋰，但是這種是一個標定過程，隨著時間的延長電池的衰減性能是會變的。

這就要反饋，所以我們做了反饋的無析鋰的控制算法，也就是要有一個觀測器來觀測負極的過電勢，這是負極觀測的過電勢，這就是觀測器，實際就是一個數學模型。

這跟我們SOC估計是很像的，我們有一個觀測器算法，一個端電壓的反饋，這樣我們就可以進行無析鋰充電的實時控制，這方面我們也跟公司合作了。

在這個過程中我們還是有些可惜，可不可以筆直用負極過電勢的傳感器呢？所以我們進一步深入的研究就是研發這個過電勢傳感器。

傳統的三電極的壽命是有限的，沒方法作為傳感器使用，近期我們電池安全試驗室跟化工系合作。

化工系張強團隊，因為他們是做鋰負極非常有相關經驗的團隊，在這方面獲得沖破，我們的探測壽命已經可以大于5個月，大于5個月應當說就已經可以用了，因為我們實際使用的時候只是在快充的時候進行接入探測，并不是一直用，5個月就夠了。下一步我們的工作就是基于負極過電勢傳感器的反饋充電控制。

第四，抑制熱失控蔓延。機械濫用筆直把電池刺穿或擠壓會立即形成燃燒爆炸，這就是蔓延的過程，這是我們進行的蔓延的探測，首先是溫度場的探測，這是并聯電池包的蔓延過程，蔓延過程的機理在這上面，為甚么它是一節一節下來的，因為當第一個電池熱失控之后會短路，所有的電都會往這邊來，所以造成電壓下降，但一旦最后它會斷開，它又回去了，這是并聯熱失控的特點。

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