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缺陷电池研究新突破

作者:中国储能网新闻中心 来源:储能科学与技术 发布时间:2022-05-24 浏览:

中国储能网讯:随着锂离子电池的大规模普及应用,世界范围内有一些新能源汽车和储能电站的电池在正常使用情况下突然自燃,这些电池的历史运行数据往往显示事故发生前并无异常。目前学术界和工业界对电池突然自燃的形成原因和预警方法都还存在很多困惑。清华大学欧阳明高院士团队与蜂巢能源科技股份有限公司合作,揭示了电池突然自燃的形成原因和演化机制,复现了电池在正常使用情况下的突然自燃,并提出了对应的安全预警和防控方法,该成果在国际交通电动化杂志eTransportation上发表,并获得2项国家发明专利授权。  

1. 背景介绍

锂离子电池不仅被广泛应用于消费类电子产品,也成为了目前交通电气化和储能电站等大规模储能领域中的主要储能载体。但近年来国内外也发生了很多锂离子电池导致的安全和自燃事故,相当一部分还是在搁置阶段和正常充电过程中。2020年8月,国家市场监督管理总局对65起新能源汽车火灾事故调查结果显示动力电池故障是火灾事故的主要原因,占比达77%。

目前的新能源汽车和储能电站一般会配有电池管理系统(BMS)和大数据云平台进行监管和安全预警,通过对非滥用情况下(无过充、过放、加热、碰撞、挤压、泡水、外短等情况)的事故电池历史数据进行调查发现,有些电池起火事故发生前没有任何征兆(电压、温度、SOC、容量、一致性等表现正常),往往在数秒内就发生了热失控或起火,即突然自燃,也被称为“突然死亡型热失控”、“猝死型热失控”和“突发型热失控”,严重危害人民生命财产安全和新能源行业健康发展。目前学术界和工业界对电池突然自燃的形成原因和预警方法都还存在很多困惑。

2. 电池突然自燃原因、复现和预警

清华大学欧阳明高院士团队与蜂巢能源科技股份有限公司多部门合作,从电池全生命周期管理角度出发,对涉及电池安全的各个生产工序和使用环节进行全面剖析和研究,重点就可能造成电池突然自燃的颗粒杂质异物缺陷问题(焊渣、粉尘、颗粒杂质等,粒径一般在几十到几百微米级别)展开了研究。为了研究成果能够指导产业实际,该项研究并不是在传统实验室中进行,而是选择了在电池试制线上,并且是大容量动力电池,而不是实验室中常用的微型电池。如图1所示,在电池试制线上的一个装配工序,人为故意在一些电池半成品中分别植入不同粒径的异物后,重新投入试制线,并监控这些人为制作的异物缺陷电池在试制线后续的所有数据和状态变化。通过对出现异常情况的电池拆解,揭示了不同粒径大小异物对电池的影响情况和规律。

图1 异物缺陷电池制作过程

将在试制线上人为制作的缺陷电池进行了常规老化循环充放电测试实验,测试过程中无任何热滥用、机械滥用、电滥用等操作,其中一个异物缺陷电池(电池A)在前11圈的循环中数据无异常,但在第12圈的恒流充电阶段发生了突然自燃。如图2所示,根据数据分析发现,根据基于传统一致性(单体间电压差异、温度差异、SOC差异等)的诊断算法无法实现早期预警,作者提出了一种面向电池全生命周期的安全预警方法,不受单体间不一致性的影响,根据该次实验结果表明可实现提前4分钟的预警。

图2 恒流阶段突然自燃电池数据分析

3. 电池内短路熔断现象、复现和预警

在另一个缺陷电池(电池B)的常规老化循环实验过程中,数据显示电池在一次恒压充电过程中出现了电流很快上升又很快恢复的现象,为了确定电池内部情况,作者对电池进行了CT观测和拆解分析,从而揭示了电池内短路熔断现象,如图3所示,即异物受极片膨胀刺破隔离膜和绝缘膜后,引发了铝壳与最外侧负极片的短路(电池四种内短路类型中最为严重的短路类型),短路电流造成电池局部温升,高温使得绝缘膜熔化和内短路回路熔断,电池又恢复了正常的现象。

图3 电池内短路熔断现象

此外还发现有一个缺陷电池(电池C)在循环到第309圈时发生了内短路熔断现象,作者为了研究内短路熔断电池的安全性,让其继续循环,该电池在第417圈时发生了突发自燃,这说明发生过内短路熔断的电池依然具有再次内短路的风险,作者也提出了电池内短路熔断故障筛查和预警的方法,并建议对于已经发生过内短路熔断的电池需要进行报废处理。

图4 电池内短路熔断后再次发生热失控的数据情况

图5 电池发生突然自燃后的残骸

4. 总结

不同于以往用针刺、挤压、过充、外短、泡水、外部加热等滥用行为触发的电池热失控,也不同于通过在电池内部植入记忆合金、低熔点合金、石蜡等物质(这些物质不可能在电池实际生产制造过程中被混入)触发的电池热失控,作者首次复现了电池在正常使用情况下自引发的突发型热失控,更加接近于实际生活中出现的电池突然自燃。另外,还复现了电池在正常使用情况下自引发的内短路熔断现象。这项研究证明了电池内部特殊位置的颗粒杂质异物缺陷是引发电池突然自燃的罪魁祸首,揭示了异物缺陷引发电池内短路和热失控的演化过程和影响规律,提出了突然自燃的预警方法和防控方法。

该研究工作是清华大学欧阳明高院士团队与蜂巢能源科技股份有限公司合作完成,研究成果获得2项国家发明专利授权,在国际交通电动化杂志eTransportation上发表,双方从材料、单体设计、产品质量控制、安全预警、热管理等方面提出了针对电池突然自燃防控的电池全生命周期整体解决方案,并在蜂巢能源电池产品上得到应用,全方位保障电池安全。

图6 电池突发型热失控防控专利

更多详细完整内容请参阅原文,原文下载和引用:

Kong, X., L. Lu, Y. Yuan, Y. Sun, X. Feng, H. Yang, F. Zhang, J. Zhang, X. Liu, X. Han, Y. Zheng and M. Ouyang. Foreign matter defect battery and sudden spontaneous combustion. eTransportation. 2022;12. doi: https://doi.org/10.1016/j.etran.2022.100170.

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关键字:锂电池

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