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液態(tài)及半固態(tài)電解質(zhì)電池熱失控催化反應模型的對比研究

來源:杭州仰儀科技有限公司   2025年02月27日 15:34  

液態(tài)及半固態(tài)電解質(zhì)電池熱失控催化反應模型的對比研究




前言


在全球積極推進碳達峰與碳中和的背景下,新能源汽車產(chǎn)業(yè)作為實現(xiàn)這一目標的關鍵一環(huán),戰(zhàn)略地位愈發(fā)凸顯。鋰離子電池作為新能源汽車的動力源泉,它的能量密度與車輛續(xù)航里程、重量及成本都息息相關。但是,隨著能量密度提升,熱失控風險及熱失控的劇烈程度也隨之加劇。為深入剖析高比能量電池的熱失控特性,為電動汽車的熱管理系統(tǒng)設計提供科學依據(jù),我司應用研究團隊與重慶理工大學林春景副教授課題組利用BAC-420A大型電池絕熱量熱儀,針對NCM鋰離子液態(tài)電池和鋰金屬半固態(tài)電池進行絕熱熱失控測試,并對熱失控過程中的催化反應進行對比研究,相關成果已在 Journal of Energy Storage 學術期刊發(fā)表。


液態(tài)及半固態(tài)電解質(zhì)電池熱失控催化反應模型的對比研究



實驗儀器介紹


大型電池絕熱量熱儀,作為電池熱安全性評估的關鍵設備,可精確檢測到電池在絕熱環(huán)境下的熱失控特征,同步記錄電池在各種濫用條件下的電壓、電流、溫度、時間等狀態(tài)信息,經(jīng)電學、熱學、光學數(shù)據(jù)的協(xié)同處理,揭示電池熱失控機理,精確量化電池熱穩(wěn)定性與致災危害,能為電池單體及模組安全性能評估、熱管理開發(fā)、熱失控主動防控研究提供可靠數(shù)據(jù)支撐。

本次研究采用的BAC-420A大型電池絕熱量熱儀專為大型電池單體及小型模組設計,其絕熱腔體有效尺寸達 420×520mm,可滿足長邊不超過 600mm電池的熱失控測試需求。該儀器絕熱性能zhuo越,壁樣溫差≤0.5℃,自放熱檢測靈敏度可達到0.005°C/min,遠超行業(yè)常規(guī)檢測閾值 0.02°C/min。能夠敏銳捕捉電池熱失控過程中的細微溫度變化,精準測定自放熱起始溫度(Tonset)、熱失控起始溫度(TTR)、熱失控最高溫度(Tmax)及最大溫速率(dT/dt)max等關鍵熱動力學參數(shù)。同時該儀器符合 GB/T 36276 - 2023《電力儲能用鋰離子電池》“絕熱溫升特性” 實驗要求。為電池安全性能評估、熱管理開發(fā)及熱失控防控研究提供有力的數(shù)據(jù)支持。此外,該儀器還榮獲2024年“國產(chǎn)好儀器”稱號,口碑備受贊譽。

液態(tài)及半固態(tài)電解質(zhì)電池熱失控催化反應模型的對比研究

BAC-420A大型電池絕熱量熱儀




實驗過程及結(jié)果


(一)實驗過程

樣品準備:實驗樣品涵蓋不同鎳含量的 NCM 三元液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池和 NCM622 半固態(tài)鋰金屬電池。其中,NCM 液態(tài)電解質(zhì)電池依鎳含量差異可分為中鎳(NCM532 / 石墨、NCM622 / 石墨)、高鎳(NCM811 / 石墨)和超高鎳(NCM90505 / 石墨)電池。


液態(tài)及半固態(tài)電解質(zhì)電池熱失控催化反應模型的對比研究


儀器校準:

Step1采用溫差基線模式,以與電池樣品尺寸相同的標準鋁塊對儀器進行校準。

Step2:利用標準鋁塊進行HWS模式測量其自發(fā)熱速率。唯有鋁塊在搜索期間各臺階升溫速率均不超過±0.003°C/min 時,儀器絕熱性能方可滿足后續(xù)電池熱失控測試要求。


實驗操作:將電池置于電池絕熱量熱儀內(nèi),采用HWS模式開展絕熱熱失控測試。實驗分為臺階升溫階段和絕熱追蹤階段。實驗開始時,電池首先進行加熱-等待-搜尋的臺階升溫模式,直到臺階搜索階段樣品升溫速率大于0.02°C/min 檢測閾值,進入絕熱跟蹤階段,爐體溫度追蹤樣品溫度直至電池熱失控。


液態(tài)及半固態(tài)電解質(zhì)電池熱失控催化反應模型的對比研究


(二)實驗結(jié)果

  • 熱失控特征參數(shù)分析

采用BAC-420A大型絕熱電池絕熱量熱儀測定9種不同電池的熱失控特征參數(shù),結(jié)果如圖2-圖7、表2所示:


1.不同NCM液態(tài)鋰離子電池的Tonset一般在80-90°C范圍內(nèi),表明鋰離子液態(tài)電池的SEI膜分解機制與正極材料相關性較小。隨著系統(tǒng)中鎳含量占比的增加,熱失控孕育時間和持續(xù)時間縮短,而熱失控過程中釋放的單位Ah能量、能量釋放速率和質(zhì)量損失率均增加,說明熱失控的劇烈程度隨著電池能量密度的增加而增加。


2.同一體系的方形和軟包鋰離子電池的熱失控過程存在差異。方形電池的TTR隨著鎳含量的增加而降低,從NCM532的186.49°C逐漸降低至NCM90505的156.92°C,而軟包電池的TTR保持在190°C左右。此外,軟包電池在達到TTR后會有一個誘導期才會快速升溫。


3. 鋰金屬半固態(tài)電池的Tonset低于75°CTmax超過1420°C,熱失控持續(xù)時間最短,熱失控后的質(zhì)量損失率接近100%。這表明與高鎳和超高鎳NCM三元鋰離子電池相比,鋰金屬半固態(tài)電池的熱穩(wěn)定性更低,熱失控更嚴重,潛在的熱危害更大。


液態(tài)及半固態(tài)電解質(zhì)電池熱失控催化反應模型的對比研究

液態(tài)及半固態(tài)電解質(zhì)電池熱失控催化反應模型的對比研究

液態(tài)及半固態(tài)電解質(zhì)電池熱失控催化反應模型的對比研究

液態(tài)及半固態(tài)電解質(zhì)電池熱失控催化反應模型的對比研究

液態(tài)及半固態(tài)電解質(zhì)電池熱失控催化反應模型的對比研究

液態(tài)及半固態(tài)電解質(zhì)電池熱失控催化反應模型的對比研究

液態(tài)及半固態(tài)電解質(zhì)電池熱失控催化反應模型的對比研究部分實驗數(shù)據(jù)展示



  • 兩步自催化反應模型的應用

依據(jù)BAC-420A所測熱失控關鍵參數(shù),本研究率xian將兩步自催化反應模型應用于電池自加熱過程的表觀動力學分析。結(jié)果表明,模型有效地模擬了熱失控孕育階段的表觀熱動力學過程,并揭示了孕育階段反應的活化能隨著能量密度的增加而降低的規(guī)律。


液態(tài)及半固態(tài)電解質(zhì)電池熱失控催化反應模型的對比研究

液態(tài)及半固態(tài)電解質(zhì)電池熱失控催化反應模型的對比研究

部分實驗數(shù)據(jù)展示



結(jié)論


本研究利用BAC-420A大型電池絕熱量熱儀對高能密度電池的熱失控行為進行了深入研究,揭示了關鍵的熱失控特性和規(guī)律與鎳含量、電池封裝形式的關系等。這些發(fā)現(xiàn)不僅為優(yōu)化長續(xù)航動力電池的熱管理和安全預警設計提供了參考,也為未來電池材料的選擇和電池結(jié)構的設計提供了重要依據(jù)。隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展,對電池熱安全性的研究將繼續(xù)深入,以推動技術進步和產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。



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