不同溫度下錳酸鋰動力電池的撞擊實驗

王宏偉,劉 軍,鄧 爽,肖海清

我國有關電動汽車(EV)用鋰離子動力電池的研究取得了一定的進展[1-2]。針對鋰離子動力電池,先后出臺了GB/Z 18333.1-2001《電動道路車輛用鋰離子蓄電池》[3]和QC/T 743-2006《電動汽車用鋰離子蓄電池》等標準[4]。這些標準中,針對模擬車輛碰撞事故的電池重物撞擊實驗均在室溫下進行,而在實際工況下,電池可能在各種溫度下工作。

本文作者針對錳酸鋰動力電池,在不同的溫度環境下擱置后,快速進行重物撞擊實驗,研究了環境溫度對電池安全性的影響,以及電池在實驗過程中的溫度變化規律。

1 實驗

1.1 實驗樣品

本文采用的實驗樣品型號和參數如下:

功率型單體電池IMP18/66/133-11HA(蘇州產),額定電壓3.7 V,額定容量11 Ah,內阻≤6 mΩ。為了得到相對準確的實驗結果,減小其他因素的影響,所選20只電池樣品均取自同一批次,并在實驗前,充放電預循環10次。充放電條件為:在20±2℃下,以3 500 mA恒流放電至電壓為2.7 V,靜置1 h,然后以3 500 mA恒流充電至電壓為4.2 V,轉恒壓充電至電流降至350 mA,靜置1 h。

電池的長、寬和高分別為 133 mm、66 mm 和18 mm;采用疊片式,包裝為方形金屬鋁殼;正、負極活性材料分別為LiMn2O4和石墨,電解液的主要成分為LiPF6、碳酸乙烯酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC),隔膜為Celgard 2325膜。

1.2 實驗方法

將100%SOC(荷電狀態)的電池放置在SPHH-101型調溫調濕箱(廣州產)中,并設置不同的溫度(-30℃、40℃和65 ℃),保溫180 min;

將待測電池從調溫調濕箱中取出,迅速放在防爆撞擊箱的平面上,將直徑為15.8 mm的鋼棒放在樣品中心,讓質量為9.1 kg的重錘從1 000±15 mm的高度落在此鋼棒上,繼續觀察樣品6 h[5-7]。

分別使電池的寬面和窄面承受重物撞擊,如圖1所示。

圖1 實驗中電池與鐵棒的放置位置Fig.1 The location of battery and bar during the test

通過粘附于電池表面的熱電偶監測電池表面的溫度,熱電偶的分布見圖2。

圖2 熱電偶的分布Fig.2 Schematic diagram of thermocouple distribution

1.3 實驗內容

將在室溫(20℃)下擱置后的電池 IT201、IT202和 IT204按圖1b所示,電池 IT203、IT205按圖1a所示進行撞擊實驗;將在-30℃下擱置后的電池IT-301、IT-303和IT-305按圖1b所示,電池 IT-302、IT-304按圖1a所示進行撞擊實驗;將在40℃下擱置后的電池IT403、IT404和IT405按圖1b所示,電池IT401、IT402按圖1a所示進行撞擊實驗;將在65℃下擱置后的電池 IT651、IT654按圖 1b所示,電池 IT652、IT655和IT653按圖1a所示進行撞擊實驗。

用TC53高精度電池性能測試系統(廣州產)測試電池的性能;用FLUKE 2620數據采集器(廣州產)采集各項實驗參數。

2 結果與討論

在不同溫度環境下(-30℃、20℃、40℃和65℃)擱置后,快速進行的重物撞擊實驗,結果見表1。

表1 重物撞擊實驗結果Table 1 The results of impact tests

觀察電池可見,由于鐵棒擠壓出現了凹痕,電池中間相對變薄,且內部也受到了擠壓,即電極和隔膜也受到了擠壓,隔膜沒能有效地隔離正、負極,造成電池正、負極短路,引起內部的放熱反應,產生了大量的熱,熱量到達一定值后,引起了著火、爆炸等現象。

電池IT203和IT652在實驗過程中各布點溫度的變化如圖 3所示。

圖3 電池IT203和IT652各布點溫度的變化Fig.3 Changes of temperature based on the thermocouple distribution data of battery IT203 and IT652

撞擊實驗時所有試樣的最高溫度和溫升速率見表2。

從表2可知,排除電池撞擊實驗后,電池相當于從-30℃、40℃或65℃的調溫調濕箱中取出,在室溫條件下擱置至常溫的溫度變化的數據(與樣品直接從-30℃、40℃或65℃的調溫調濕箱中取出,在室溫條件下擱置至常溫,不經過撞擊試驗的溫度變化類似)。撞擊實驗中,電池最高溫度與溫升速率的關系見圖4。

表2 撞擊實驗中各試樣的溫度數據Table 2 The temperature data of each sample in impact test

圖4 電池最高溫度與溫升速率的關系Fig.4 Relation between temperature rise rate and maximum temperature

根據圖4的數據,由最小二乘法的線性擬合,未著火試樣溫升速率與最高溫度存在式(1)所示的關系:

式(1)中,y為最高溫度(℃);x為溫升速率(℃/s)。式(1)對應的 R2(R為相關系數)為 0.98。該值越接近1,說明線性擬合程度越好。

著火試樣溫升速率與最高溫度存在式(2)所示的關系:

式(2)對應的 R2為0.94。

從式(1)、式(2)可知,未著火試樣的溫升速率與最高溫度呈線性關系,著火試樣的溫升速率與最高溫度呈3次多項式的關系,說明錳酸鋰動力電池在撞擊過程中,溫升速率越快,越容易發生著火的熱失控現象。

3 結論

在不同溫度環境下(接近實驗前的擱置溫度:-30℃、20℃、40℃和65℃)錳酸鋰動力電池的重物撞擊實驗可以看出,電池受到撞擊后,殼體發生變形,電極和隔膜受到擠壓,電極材料可能會出現脫落現象,隔膜會出現破裂,如果隔膜不能有效地隔離正、負極,會造成正、負極短路,引起電池內部的放熱反應,產生的熱量又會引起其他副反應的發生,如電極的分解、電解質的分解等,并產生較多的氣體,使內部壓力增加,壓力到達一定的值后,會使電池發生著火、爆炸等現象。

研究表明:本文實驗中所用錳酸鋰動力電池產品在撞擊實驗過程中,總體安全性能不好;即使在低溫下擱置后的電池在進行重物撞擊實驗時,也會發生由電池內短路引發的高溫燃燒(爆炸)。這可能是由于電池制作的一致性或電池的工藝設計整體安全可靠性相對較低造成的。環境溫度(本文中,接近實驗前擱置溫度)越高,電池的安全性越差:撞擊實驗時,未著火試樣的溫升速率與最高溫度呈線性關系,著火試樣的溫升速率與最高溫度呈3次多項式的關系,且著火試樣的溫升速率＞3℃/s,未著火試樣的溫升速率＜1℃/s,即電池在撞擊過程中,溫升速率越快,越容易發生著火等熱失控現象。

[1]LIN Cheng-tao(林成濤),LI Teng(李騰),TIAN Guang-yu(田光宇),et al.電動汽車用鋰離子動力電池的壽命試驗[J].Battery Bimonthly(電池),2010,40(1):23-26.

[2]HU Xin-guo(胡信國).動力電池技術與應用[M].Beijing(北京):Chemical Industry Press(化學工業出版社),2009.

[3]GB/Z18333.1-2001,電動道路車輛用鋰離子蓄電池[S].

[4]QC/T 743-2006,電動汽車用鋰離子蓄電池[S].

[5]WEI Hong-bing(魏洪兵),WANG Cai-juan(王彩娟),ZHAO Yong(趙永),et al.鋰離子電池重物撞擊試驗研究[J].Dianchi Gongye(電池工業),2011,16(4):209-211.

[6]SONG Yang(宋楊),WANG Cai-juan(王彩娟),WEI Hong-bing(魏洪兵),et al.鋰原電池重物撞擊試驗分析[J].Dianchi Gongye(電池工業),2009,14(4):244-246.

[7]WANG Hong-wei(王宏偉),LIU Jun(劉軍),DENG Shuang(鄧爽),et al.動力鋰離子電池撞擊過程中熱穩定性的研究[J].Dianchi Gongye(電池工業),2012,17(4):81-84.