應用案例｜仰儀科技大容量9系三元鋰離子電池熱失控測試

　　本文利用BAC-420A大型電池絕熱量熱儀對130Ah 9系超高鎳NCM三元鋰離子電池的絕熱熱失控行為進行了研究，填補了行業(yè)內(nèi)缺乏大容量超高鎳電芯熱失控數(shù)據(jù)的空白。
　　前言
　　9系超高鎳三元鋰離子電池是指正極材料元素比值為Ni：Co：Mn=9：0.5：0.5的三元鋰離子電池，作為短期內(nèi)已經(jīng)將鋰電池正極材料的潛力發(fā)揮到最大的方案，9系鋰電池的理論能量密度甚至超過了300Wh/kg。
　　由于9系鋰電池具有超高的能量密度，受到了致力于提高新能源汽車續(xù)航里程的主機廠的密切關注。但高能量密度伴隨著潛在的高危險性，因此獲得9系電池的熱失控特征參數(shù)尤為重要，但是9系鋰電池的熱失控過程非常劇烈，有較大概率會損傷儀器，因此9系鋰電池的絕熱熱失控實驗數(shù)據(jù)十分缺乏，電池熱管理設計也缺少實驗數(shù)據(jù)的支撐。
　　本文利用杭州仰儀科技有限公司BAC-420A大型電池絕熱量熱儀進行了130Ah的9系NCM超高鎳鋰離子電池的絕熱熱失控測試，獲得該電池熱失控過程的相關熱力學特征參數(shù)等信息。相關結果有助于幫助研究人員明確9系電池的熱失控危害性，優(yōu)化電池安全設計。
　　實驗部分
　　1.樣品準備
　　實驗樣品：130Ah 9系NCM鋰離子電池*1，260mm*100mm*25mm，100%SOC。
　　2.實驗條件
　　實驗儀器：杭州仰儀科技BAC-420A大型電池絕熱量熱儀；
　　工作模式：HWS模式、溫差基線模式；
　　標準鋁塊：6061鋁合金材質。

圖1 BAC-420A大型電池絕熱量熱儀

　　3.實驗過程
　　3.1 溫差基線校正：利用與電池大小形狀一致的標準鋁塊進行溫差基線模式實驗，對熱電偶及儀器進行校正；
　　3.2 標準鋁塊HWS實驗：利用標準鋁塊進行HWS模式實驗，驗證溫差基線校正的效果及實驗過程中儀器的絕熱性能；
　　3.3 電池HWS實驗：為了防止9系電池熱失控損壞爐腔，因此在電池外部增加了如圖2所示的金屬網(wǎng)防護罩，以HWS模式進行絕熱熱失控實驗；

圖2 9系電池實驗安裝示意圖及實物照片

　　3.4 標準鋁塊HWS實驗：電池HWS實驗結束后，用標準鋁塊重新進行HWS驗證實驗，用于驗證熱失控后儀器功能是否正常及傳感器漂移程度。
　　實驗結果

圖3 電池絕熱熱失控（a）溫度-壓力曲線及（b）溫升速率-溫度曲線

　　如圖3（a）所示，電池在82.68℃下的自放熱溫升速率達到了0.02℃/min的Tonset檢測閾值；在131.67℃達到泄壓溫度Tv，泄壓閥打開；隨后在169.49℃達到熱失控起始溫度TTR（60℃/min），電池發(fā)生熱失控，數(shù)秒內(nèi)溫度快速升高至約1090℃，最大溫升速率（dT/dt）max超過40000℃/min。并且通過圖4所示的抗爆箱內(nèi)外部的監(jiān)控畫面，可以發(fā)現(xiàn)電池的熱失控過程十分劇烈，在極短的時間內(nèi)噴射出強烈的射流火及大量濃煙，同時瞬間產(chǎn)生的高溫高壓氣流對實驗室墻面產(chǎn)生了一定的沖擊作用。

圖4 （a）防爆箱內(nèi)部視頻及（b）防爆箱外部視頻（查看原視頻請搜索“仰儀科技”官網(wǎng)）

圖5 電池殘骸照片

　　通過觀察電池殘骸可以發(fā)現(xiàn)，泄壓閥位置完全崩裂，同時電池殘骸基本僅剩外部鋁殼，內(nèi)部電池材料幾乎全部從泄壓口噴出，熱失控后電池的質量損失率達到了85.97%，也側面表明了9系電芯的熱失控劇烈程度。

圖6 電池熱失控前（a）后（b）鋁塊HWS模式實驗曲線

　　在電池實驗前，通過標準鋁塊的HWS實驗驗證了儀器良好的絕熱性能，如圖6（a），每個溫度臺階鋁塊的溫升速率均小于±0.002℃/min；電池測試后，為了確認儀器能否在承受9系鋰電池的劇烈爆炸后仍然能正常使用，重新進行一次標準鋁塊的HWS實驗。通過圖6（b）可以發(fā)現(xiàn)，實驗過程中儀器運行良好，并且每一個臺階的溫升速率均低于±0.002℃/min，絕熱性能依然優(yōu)異，說明儀器功能完好，同時傳感器未出現(xiàn)明顯漂移。
　　結論
　　大容量9系超高鎳NCM鋰電池絕熱熱失控的劇烈程度高，實驗室應具備足夠的泄壓泄爆面積（建議50平米以上），同時實驗室墻面應進行加固。
　　仰儀科技BAC-420A大型電池絕熱量熱儀具有優(yōu)異的耐壓和抗爆性，能夠承受大容量超高比能電芯的熱失控爆炸沖擊。