應用案例｜仰儀科技大容量9係三元鋰離子電池熱失控測試

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本文利用BAC－420A大型電池絕熱量熱儀對130Ah 9係超高鎳NCM三元鋰離子電池的絕熱熱失控行為進行了研究，填補了行業內缺乏大容量超高鎳電芯熱失控數據的空白。

前言

9係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，作為短期內已經將鋰電池正極材料的潛力發揮到最大的方案，9係鋰電池的理論能量密度甚至超過了300Wh／kg。

由於9係鋰電池具有超高的能量密度，受到了致力於提高新能源汽車續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係電池的熱失控特徵參數尤為重要，但是9係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係鋰電池的絕熱熱失控實驗數據十分缺乏，電池熱管理設計也缺少實驗數據的支撐。

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係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徵參數等資訊。相關結果有助於幫助研究人員明確9係電池的熱失控危害性，優化電池安全設計。

實驗部分

1．樣品準備

實驗樣品：130Ah 9係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係電池熱失控損壞爐腔，因此在電池外部增加了如圖2所示的金屬網防護罩，以HWS模式進行絕熱熱失控實驗；

圖2 9係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實驗結束後，用標準鋁塊重新進行HWS驗證實驗，用於驗證熱失控後儀器功能是否正常及感測器漂移程度。

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；隨後在169．49℃達到熱失控起始溫度TTR （60℃／min），電池發生熱失控，數秒內溫度快速升高至約1090℃，最大溫升速率（dT／dt）max超過40000℃／min。並且通過圖4所示的抗爆箱內外部的監控畫面，可以發現電池的熱失控過程十分劇烈，在極短的時間內噴射出強烈的射流火及大量濃煙，同時瞬間産生的高溫高壓氣流對實驗室墻面産生了一定的衝擊作用。

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

圖5電池殘骸照片

通過觀察電池殘骸可以發現，泄壓閥位置完全崩裂，同時電池殘骸基本僅剩外部鋁殼，內部電池材料幾乎全部從泄壓口噴出，熱失控後電池的品質損失率達到了85．97％，也側面表明瞭9係電芯的熱失控劇烈程度。

圖6電池熱失控前（a）後（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；電池測試後，為了確認儀器能否在承受9係鋰電池的劇烈爆炸後仍然能正常使用，重新進行一次標準鋁塊的HWS實驗。通過圖6（b）可以發現，實驗過程中儀器運作良好，並且每一個臺階的溫升速率均低於±0．002℃／min，絕熱性能依然優異，説明儀器功能完好，同時感測器未出現明顯漂移。

結論

大容量9係超高鎳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衝擊。