研究锂离子电池热失控的技术有哪些

2018-12-22      291 次浏览

对于锂离子电池而言,热失控是最严重的安全事故。锂离子电池热失控源于产热速率远高于散热速率,大量的热量在锂离子电池内部积累,引起锂离子电池温度的快速升高,导致隔膜收缩、熔化,正负极活性物质分解等自发的放热反应,引起锂离子电池起火和爆炸。避免热失控发生是无数的锂离子电池设计者们追求的终极目标,然而要达到这一目标,首先需要对锂离子电池热失控过程的反应历程有清晰和全面的认识,但是锂离子电池的密封结构是阻碍我们的第一道关卡,全密封的结构设计让锂离子电池内部反应的观测变的非常困难。其次,热失控中的高温是阻碍我们的第二道关卡,上千度的高温将可能留存的证据焚烧殆尽。最后,热失控的高速度是阻碍我们的第三道关卡,热失控中锂离子发生爆炸的时间往往不足0.01s,这也让跟踪其中的反应过程变的尤为的困难。


第一道关卡:密封


首先我们来看第一道关卡,锂离子电池一般采用方形、圆柱形硬壳密封结构或者软包密封结构,共同特点是外部的探测设备很难进入到锂离子电池内部,因此要实现对锂离子电池在热失控中内部反应的跟踪,首先要解决这一问题。解决这一问题的思路有两个:


一、内部植入。我们可以在锂离子电池内部置入热电偶,实时跟踪热失控中锂离子电池内部温度变化,我们也可以通过在锂离子电池内部置入FBG纤维检测器的方式对锂离子电池在热失控中的温度和压力变化进行跟踪分析,这也是目前应用比较广泛的方式。


二、透视技术。锂离子电池的密封结构虽然能够阻挡可见光,但是对于高能射线技术却无法阻挡,因此采用高能射线和粒子对锂离子电池在热失控中的行为进行跟踪也是一种非常有效的方法,例如我们之前就曾经介绍过伦敦城市学院的DonalP.Finegan等人就通过高速的X射线摄影装置对锂离子电池在热失控中的内部反应过程进行了全面的跟踪,揭示了在热失控过程中18650电池的防爆阀的工作原理。中子不带电荷,因此穿透能力非常强,近年来也广泛的被用于锂离子电池内部反应机理的研究,例如德国博世公司的工程师们就利用中子衍射技术对电解液在锂离子电池内部的浸润的过程进行了跟踪和研究,通过中子衍射技术我们“直接看到”了电解液在锂离子电池电芯中的浸润过程,因此中子衍射技术也非常有潜力应用在锂离子电池热失控过程的研究中。


第二道关卡:高温


锂离子电池热失控时,储存在锂离子电池内部的化学能在短时间内大量的释放,产热速度远远高于锂离子电池的散热速率,因此导致锂离子电池在短时间内温度快速升高,研究表明锂离子电池在热失控中温度可达1000℃以上,这甚至会将锂离子电池内部的铜箔熔化(Cu的熔点为1085℃),极端的高温将所有可能留存的证据全部付之一炬,因此我们很难从热失控后的锂离子电池残骸推断热失控的原因。极速冷却可以有效的解决这一问题,例如之前我们曾经报道过清华大学的欧阳明高教授将热失控中的电池放入液氮之中,为锂离子电池快速降温,从而实现了对“第一案发现场”的证据固定,这也帮助欧阳教授发现即便是在隔膜没有发生熔化和收缩的情况下,锂离子电池仍然可能通过O2在正负极之间的“穿梭”导致锂离子电池热失控,这也为热失控的研究开了一扇崭新的大门。


第三道关卡:高速


锂离子电池在热失控中反应速度非常快,特别是在热失控发生爆炸时,反应时间往往小于0.01s,这也导致大多数的手段往往由于时间精度不够引起观测的不准确,为了解决这一问题,X射线高速摄影技术隆重出场,DonalP.Finegan等人为了研究在针刺实验中锂离子电池内部的反应过程,采用的X射线高速摄影技术的帧率就达到了2000fps(分辨率10um)和5130fps(分辨率20um),在如此高的帧率下我们能够基本清楚的看到热失控的全部反应历程,但是即便是如此高的帧率仍然难以拍摄到锂离子电池的爆炸瞬间的反应过程(时间往往小于0.01s),这就需要同步辐射技术登场了。同步辐射光源的强度要远远高于普通的X射线,因此能够实现更短的曝光时间,欧洲同步辐射中心通过同步辐射光源使得曝光的帧率达到了惊人的每秒数百万帧,从而实现了对玻璃破碎、起弧等过程进的观测。在同步辐射技术的帮助下,DonalP.Finegan成功的对18650电池爆炸瞬间进行了观测,X射线拍摄速度更是达到了20272帧/秒,成功的观察到了在爆炸过程中18650电池的防爆阀是如何工作的。


锂离子电池热失控严重威胁着使用者的生命和财产安全,因此对热失控的机理的研究就显得尤为重要,以往由于实验条件的限制,使得我们只能够通过外壳温度和电池电压变化的情况间接的推断锂离子电池内部的一些反应。技术的进步不仅仅让我们能够实时的检测到锂离子电池内部温度和压力的变化,高速摄影技术的加持更是让我们能够直观的观察到热失控中锂离子电池内部的高速反应过程,这对于我们认识锂离子电池的反应机理具有非常重要的意义,也为更加安全的锂离子电池设计提供了指导。

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