動力鋰離子電池兩大破壞性探測

動力鋰離子電池產品關乎用戶的生命安全，其安全設計和要求在整個電池系統設計中處于最高優先級。這要選擇適宜的電池材料、優化單體電池設計、強化模組和系統的電氣安全設計、使用FMEA工具綜合考慮/分解各種安全失效模式和應對措施，從而設計出高性能、高安全的動力鋰離子電池產品。

圖1電池安全和濫用探測項目

動力鋰離子電池的安全性是新能源汽車發展中備受關注的熱點，圖1是TUV的有關動力鋰離子電池安全方面探測項目，大致分為安全探測(SafetyTesting)和濫用探測(AbuseTesting)。

其中擠壓(crush)探測和針刺(nailpenetration)探測屬于濫用探測。這兩項探測對電池的破壞性很大。擠壓是筆直對電池施加外部機械力，迫使電池發生形變，從而造成電池內部各部分的機械變形，出現外部內部結構組織破壞(例如隔膜斷裂、刺穿)，出現內部短路，促發可能的熱失控。

針刺是外部金屬異物筆直刺入電池內部，刺穿電池內部組分，同樣造成內部短路，促發可能的熱失控。這里通過一些例子來看一下這兩個探測。

圖2LFP50Ah電池的針刺探測

先看一下LFP/C電池的探測。LFP材料的熱穩定性相對較高，在濫用探測中有助于抑制或延緩熱時空的發生。這里是ELIIYPower的50Ah(106Wh/kg)電池的一個案例，由TUV做的針刺探測。

針刺刺入的位置在電池表面的中心。從鋼針刺入的整個過程來看，該電池沒有觀察到任何異常現象，顯示出較高的安全性(圖2a-2c)。

圖3鋼針粗細對針刺結果的影響

有關針刺實驗，ECPower利用仿真技術研究了鋼針的粗細對NCM電池(5Ah，120Wh/kg)針刺探測結果的影響。有一組數據可供參考：

20mm的鋼針，針刺位置溫度達到150攝氏度要150秒；

10mm鋼針，針刺位置溫度達到150攝氏度要75秒；

5mm鋼針，針刺位置溫度達到150攝氏度僅僅要2秒(圖3)。

說明采用較細的鋼針，在針刺位置的局部溫升相對更快，更加容易造成電池熱失控。

圖4LFP50Ah電池的擠壓探測

圖4同樣是EIILYPower的50AhLFP電池的擠壓探測，擠壓位置也在電池中間位置。

從擠壓頭擠壓到電池厚度一半左右的位置，電池沒有觀察到任何異常現象(圖4a，4b)。

持續擠壓時，可以看到電池內部電解液噴發出來(圖4c)；

持續擠壓時，開始出現少量白煙(圖4d)；擠壓到圖4e位置時，觀察到電池殼體開始發生破碎；

圖4f是100%擠壓變形了，電池殼體已經被擠壓破碎成兩半，并且可以觀察到在右邊半塊電池表面的塑料包裝膜開始受熱收縮，說明此時電池內部溫升較快。

盡管如此，在整個擠壓過程中，電池沒有出現著火、爆炸現象，顯示出較好的安全特性。

圖5擠壓探測失敗案例

圖5是一個單體電池的擠壓探測的失敗案例。從擠壓頭開始擠壓電池，電池就有少量白煙從頂部冒出(圖5b)，接著就開始噴發出大量白煙(圖5c)，緊接著在第六秒鐘就噴發中大量火星和火焰，電池完全著火爆炸，數秒鐘之內，著火爆炸出現的氣體、煙霧、飛濺出來的殘留物就彌漫到整個探測房間內。

我們看一下鋰電池在熱失控后從電池內部都釋放出什么氣體。當然，由于每種電池的組成、結果、化學狀態都存在差異，釋放出來的氣體各有差異。通常，這些氣體都是可燃的，當熱失控造成電池內部溫度快速上升到一定程度，就有可能觸發燃燒。

這里以一個40AhNCM/C軟包電池為例說明，它的電解液為LiPF6/EMC/DEC/EC。在洋溢電的情況下，通過針刺出發熱失控，從而采集分解釋放的氣體成分。分解結果顯示，釋放出來的氣體成分緊要包括：

EMC：碳酸甲酯乙基酯

DEC：碳酸二乙酯

EC：碳酸乙烯酯

Benzene：苯

Toluene：甲苯

Styrene：苯乙烯

Biphenyl：聯苯

Acrolein：丙烯醛

CO：一氧化碳

COS：硫化碳酰

Hydrogenfluoride：這是氟化氫

上述這些物質中，有些是氣體，有些是揮發的液體。前三種物質是電解液本身揮發出來的，后面幾種物質都是在熱失控過程中形成的新物質。上面所有物質都已具有一定毒性的，在一定溫度下都是可燃的。

表1氣體成分

下面再看一個傳統消費類電池，電池材料為LiCoO2/C，2.1Ah軟包電池，能量為7.7Wh。

觸發熱失控后通過設備采集氣體進行分解，得到表1結果。這里的氣體成分包括：

一氧化碳、二氧化碳、氫氣

甲烷、乙烷、丙烷、異丁烷、丁烷、異戊烷、異戊烷、己烷、乙烯、丙烯、苯、甲苯、苯乙烷

其中，在100%SOC和150%SOC下，體積含量最多的是一氧化碳、二氧化碳和氫氣。緊要成分是一氧化碳、二氧化碳和氫氣，其余是烷烴、烯烴、苯等有機物，這些也可使可燃氣體。

同時測量釋放出來的氣體的含量(表2)，從50%SOC到100%SOC，熱失控后釋放出來的氣體含量新增了3倍多。在150%SOC，釋放的氣體含量達到了50%SOC下的7.5倍，一個小小的電池竟然可以釋放出這么多的氣體。

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