定量評估大尺寸方形鋰離子電池機械濫用下的熱失控風險

最近的一起發生在山東日照的特斯拉電動車碰撞后起火事件，再次引起了人們關于動力鋰離子電池的安全性問題的關注。電動車的特殊性使得其關于動力鋰離子電池在極端情況下的安全性要求很高，因此在動力鋰離子電池的探測過程中也蘊含了嚴格的機械濫用情況下電池安全性的考核，例如擠壓、針刺等。

傳統的電池安全性評估，如擠壓、針刺等僅能對鋰電池的安全性做定性的評估，探測結果也僅有兩個：通過和不通過，我們無法判斷兩個通過探測的電池哪個安全性更高，也不能判斷沒有通過探測的電池哪個安全性更差，這極大的降低了這些安全性探測的參考意義。為了能夠對兩款電池的安全性進行定量的探測，建立一個絕對的標準以方便不同種類電池之間相互比較，美國橡樹嶺國家試驗室的HsinWang等對傳統的擠壓探測設備進行了改進，在原有設備的基礎上，給電池施加了一個扭轉力，以減小電池在探測中受到的破壞，因此能夠對鋰電池的安全性進行定量的評估，HsinWang還建立了一套評分體系，為鋰電池的安全性進行打分，以方便不同種類的電池能夠相互進行比較。

目前能夠模擬鋰電池內短路的方式有多種，例如針刺探測，小壓痕探測，BAJ探測和機械擠壓探測等，通過對大尺寸方形電池特點的分解，HsinWang認為機械擠壓探測最適合使用方形鋰電池的探測上。但是在傳統的擠壓的探測中由于電池受到的破壞太大，幾乎所有的電池都會發生熱失控，因此傳統的擠壓探測對不同種類電池安全性的“辨別率”就很低，惟有通過和不通過兩種結果，只能對鋰電池的安全性進行定性分解。可能兩個電池都沒有通過安全性探測，但是A電池的安全性卻要好于B電池，為了能夠準確的評估不同體系電池的安全性能，HsinWang對傳統的擠壓試驗進行了改進，通過在電池負極極耳上施加一個拉力，讓電池出現約莫5°的扭曲，從而減少在擠壓過程中電池受到的破壞，因此該試驗能夠準確的評估不同種類電池的的安全性高低。

注解1：電池通過擠壓的判據

為了方便讀者理解本文，下圖是給出了LFP電池一個非常典型的成功通過機械擠壓探測（正反饋）的判據，電池擠壓變形達到一定的程度后，引起了電池內短路的發生，電池電壓迅速下降，測試到電壓下降后（0.1V），擠壓力隨之被移除，電池的電壓快速回升，電池沒有發生熱失控，則電池通過擠壓試驗。

1.對LFP電池的安全性評估

為了探測上述的改進擠壓試驗的效果，同時評估LFP電池的安全性（由于LFP電池安全性較好，因此僅探測了風險最高的100%SoC狀態），HsinWang針對100%SoC的LFP電池分別進行了僅有擠壓探測（左側）和在擠壓的過程中同時對電池施加一個扭轉力的探測（右側）。探測結果如下圖所示，從探測結果來看，僅對電池施加擠壓時，由于電池受到的破壞較大，電池發生短路后，電池發生熱失控。而在對電池進行擠壓的同時對電池施加一個扭轉力，降低了擠壓對電池的破壞，內短路發生后，電壓迅速恢復，沒有發生熱失控。可見LFP電池具有非常優異的安全性能，即使在100%SoC狀態下，也能安然通過擠壓-扭轉探測。

2.對NMC電池安全性的評估

在對25Ah的NMC電池擠壓-扭轉探測中，發現50%SoC狀態下的電池都成功通過了探測，如圖a所示，60%SoC狀態下的電池有三只通過了探測，如圖b所示，另外的三只沒有通過探測，如圖c所示，可見60%SoC的電池通過探測和不通過探測的概率各為50%，而80%SoC的電池則都沒有通過探測，如圖d所示。由此可見，60%SoC是NMC電池安全性的一個分水嶺，低于這個數值時電池相對是安全的，高于這個數值，則電池在機械濫用的情況下的安全性將大大下降。

下圖為60%SoC的NMC電池在擠壓-扭轉試驗中的熱成像圖，從圖中可以看到在短路發生后，短路點的溫度在0.5S內迅速升高到了147.5℃，隨后高溫區域迅速向周圍擴展，說明周圍區域溫度升高并不是由熱傳導導致的，而是高溫引發了其他的化學反應。而在80%SoC下，NMC電池發生熱失控的溫度更高，引起周圍化學反應的速度也更快。

基于上述試驗結果，HsinWang為NMC電池給出了不同SoC狀態下的安全得分，如下表所示，在該評分體系下我們能夠更加精確的對電池的安全性進行評估，例如50%SoC的NMC電池與100%SoC的LFP電池的安全性得分都為100分，因此它們具有相似的安全性。60%SoC的NMC電池安全性風險較高，在機械濫用的情況下有50%的可能發生熱失控，而80%SoC的電池安全性風險非常高，機械濫用情況下發生熱失控的概率為100%。

HsinWang設計的針對大尺寸方形電池的擠壓-扭轉試驗可以實現對鋰電池在機械濫用情況下的熱失控風險進行定量的分解，實現了鋰電池安全性評估從定性到定量的發展，往日我們只能說某款電池的安全性是好，還是不好，而采用這種辦法后，我們可以說某款電池的安全性有多好、多不好，就如同我們從模擬信號時代，進入到了數字信號時代。HsinWang設計的試驗辦法還能夠進一步進行優化，例如試驗的電池的數量可以更多一些，戒備偶然因素對試驗結果的影響，控制試驗條件，例如溫度等，定量評估溫度等因素對電池安全性的影響。

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