不同過充倍率條件下三元電池熱失控特性研究

張建華，張明杰，裘呂超，金玉紅

(1.北京工業大學 材料與制造學部新能源材料與技術研究所，北京 100124；2.中國電力科學研究院有限公司新能源與儲能運行控制國家重點實驗室，北京 100192；3.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，浙江杭州 310014)

鋰離子電池具有能量密度高、功率密度大、自放電率低以及循環壽命長等優點，已被廣泛應用于純電動汽車、混合動力等新能源汽車中[1-3]。與磷酸鐵鋰和鈷酸鋰電池相比，三元鋰離子電池的能量密度和電壓平臺更高，在電動汽車續航方面具有更加明顯的優勢。然而三元鋰離子電池具有高溫性能差、在各種濫用條件(機械濫用、電濫用和熱濫用)下更容易熱失控等缺點，嚴重影響了電動汽車或儲能系統的使用安全性[4]。

其中，過充是動力電池使用過程中最常見的電濫用條件之一。在充電過程中，電池的一致性差、電壓不穩定引起的電池端電壓升高、充電器故障或電池管理系統(BMS)設計不當等原因都會導致電池過充。過充會導致Li+遷移到負極表面并析出為鋰枝晶，而正極材料嚴重脫鋰，結構發生變化，促使正極材料直接與電解液發生反應并釋放出氧氣和反應熱。當過充到一定程度后，鋰枝晶會刺穿隔膜，引發熱失控。由于電池在過充時外部能量持續輸入到電池中，所以一旦發生熱失控，反應要比機械濫用和熱濫用條件下更激烈，釋放出的能量及造成的危害也更大。

國內、外研究人員在探索鋰離子電池過充致熱失控和提高電池過充安全性方面做了大量努力，如Ohsaki 等[5]對比了不同體系的鋰離子電池過充實驗，通過研究電池的過充機理，發現負極上沉積的鋰與電解液之間的劇烈反應是引起熱失控的主要原因。Belov 等[6]通過研究鈷酸鋰電池的過充行為，認為電池在過充電時，負極表面的細微枝晶顆粒會引起電池內短路，加速了電池內部副反應從而導致熱失控。Kong等[7]研究了LiAlNiCoO2三元電池在過充條件下的衰減行為，提出電池在過充條件下的持續循環會加劇鋰枝晶的生長和電解液的氧化，從而促進活性Li+的不可逆損失并造成容量衰減。JIANG 等[8]進行了LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2/C 鋰離子電池在不同充電倍率下的過充實驗，研究了電池的熱失控行為和參數特性。他們認為電壓平臺出現的原因是鋰枝晶刺穿隔膜形成微小的局部內短路，平衡了電壓的上升。同時，他們還采用原位微量熱法，詳細研究了不同電流倍率和過充電電壓下LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2紐扣電池的動態產熱，發現在高的過充倍率下，過度的脫鋰加速了電極的極化和電解液的氧化，而極化是導致產熱迅速增加的主要因素[9]。這些研究成果有助于我們探索三元鋰離子電池在不同過充倍率條件下的熱失控特性，分析電池發生熱失控的內部原因。

本文以90%健康狀態(SOH)的48 Ah 三元方形鋁殼動力電池為研究對象，相比于新電池，其熱失控特性更具有參考意義，通過在不同倍率下對電池單體的過充電實驗，模擬電池在實際應用過程中發生的過充致熱失控現象，重點分析了熱失控過程中的電池電壓和溫度等關鍵參數的變化，總結了電池單體過充致熱失控的反應特性，并基于實驗結果為該類電池的熱失控預警提供了指導。

1 過充致熱失控實驗

1.1 實驗對象

實驗以48 Ah 三元方形鋁殼動力電池為研究對象，正極材料為NCM，負極材料為石墨，標稱容量為48 Ah，標稱電壓3.7 V，工作區間2.8～4.2 V。

首先，對所有參與實驗的電池在25 ℃，恒流充放電倍率為1/3C的條件下(即充放電電流為16 A)進行了容量標定。經測試，所有電池的容量均在(48±0.5)Ah(即SOH為100%)，說明選用電池一致性較好。然后，將電池在充放電倍率為0.5C(25 A)，工作區間為2.8～4.2 V 的條件下進行恒流充放電循環，直到容量保持率衰退至90% 時停止，對其按照上述條件進行容量標定，選擇8 塊一致性較好且電池容量保持率為90%(即SOH為90%)的電池單體作為實驗樣本。最后，對電池樣本進行預處理，即以0.5C恒流充電至4.2 V，然后再恒壓充電至電流小于0.05C時停止充電，保證電池的荷電狀態為100%。

1.2 電池單體過充致熱失控實驗

本實驗使用DS-2CD3T86FWDV-I3S 攝像機全程錄像；通過HIOKI8860-50 數據記錄儀采集實驗過程中電池溫度及電壓數據；采用IT6015-80-510 直流電源供應器給電池單體過充電，過充倍率分別為0.3C，0.5C，1.0C和1.5C，最高電壓均設為35 V，當電池發生內短路，電壓降為0 V 時停止充電，實驗布置如圖1(a)所示。電池表面布有k型熱電偶，用于測試溫度，電壓線連接電池正負極極耳，具體布置如圖1(b)所示。電池底部和正背面均用硅酸鋁棉包裹，防止其大量散熱，電池最外側用不銹鋼夾具夾緊并固定在底座上，避免過充過程中因電池膨脹導致熱電偶脫落和電池發生移動。

圖1 (a)實驗平臺設置(b)熱電偶、電壓采集位置分布

2 結果與討論

2.1 過充致熱失控現象

三元電池在不同倍率下過充電，熱失控實驗現象如表1所示。熱失控現象基本一致，主要分為四個階段：(1)第一階段，電池開始過充，處于比較穩定的狀態；(2)第二階段，由于氣體積聚導致電池內部壓力達到安全閥能夠承受的最高壓力，安全閥破裂，釋放出白色的煙霧，成分為內部副反應產生的氣體、電極材料以及電解液的混合物；(3)第三階段，當電池發生內短路，溫度過高以及內部可燃氣體和氧氣達到臨界點時，會發生爆燃甚至爆炸，爆炸時，內部材料全部被噴出外殼；(4)第四階段為電池燃燒或爆炸后，逐漸冷卻階段。

表1 過充致熱失控過程

表1 的最后一列為電池熱失控后的殘留外殼。結合實驗現象可以發現，隨著過充倍率的增加，電池在發生熱失控時的劇烈程度降低，當過充倍率為1.5C時，在第三階段，電池先是噴出大量熔融狀態的固體顆粒，隨即引燃可燃氣體及電解液的混合物，但沒有發生爆炸。這是因為在1.5C的過充倍率下，短時間內正極材料中的鋰離子過度脫出并在負極形成鋰枝晶，刺穿隔膜造成內短路，從而誘發熱失控。相比于低倍率條件下，電池內部副反應時間較短，產生的氣體較少，這是電池未發生爆炸的主要原因。

2.2 過充致熱失控溫度和電壓特性分析

圖2 為在0.3C、0.5C、1.0C和1.5C過充倍率下，90%SOH的三元動力電池溫度和電壓隨時間的變化曲線。在四個過充條件下，溫度和電壓的變化趨勢一致。根據電池電壓的變化，整個過充電過程也可以分為四個階段；

圖2 不同過充倍率下三元電池的溫度和電壓曲線

(1)第Ⅰ階段，在過充前期，電壓在此過程中緩慢上升至點A，這是因為在過充過程中電池正極材料中的Li+過度脫出并嵌入到負極材料中，導致電壓也會上升。在這一階段，由于極化熱和焦耳熱的產生，溫度緩慢上升。

(2)第Ⅱ階段，電壓緩慢下降至點B，因為在過充過程中，負極表面會形成鋰枝晶，鋰枝晶的形成會刺穿隔膜，引起局部內短路，從而抵消過充時部分電壓增大，導致電壓略有下降[9]。由于內部副反應熱和過充產生的焦耳熱，溫度上升速度加快。

(3)第Ⅲ階段，電壓驟升至C 點，主要是因為活性材料過度脫鋰導致結構坍塌，電壓高于4.7 V 時電解液發生氧化分解加速了電解液的消耗[10]以及溫度較高導致隔膜發生閉孔等，使得電池內阻急劇升高，從而電壓驟升。內部副反應和內短路放出大量的熱，溫度急劇上升。

(4)第Ⅳ階段，電壓驟降至0 V，當溫度達到隔膜熔點時，隔膜收縮融化導致電池內短路，電壓驟降為0 V。電池發生爆炸或燃燒，溫度繼續急劇上升，熱失控結束后，逐漸冷卻到室溫。

通過對比這四種過充條件下的數據發現，隨著過充倍率的增加，A、B 兩點的臨界電壓均會上升，0.3C時電壓最低，分別為5.03 和4.73 V；1.5C時電壓最高，分別為5.17 和5.01 V；過充容量先下降后上升，過充倍率為1.0C時的過充容量最小，分別為17.79 和23.76 Ah；通過計算熱失控完全爆發前(電壓驟降前)第Ⅱ階段和第Ⅲ階段的持續時間tⅡ+Ⅲ發現，隨著過充倍率的增加，tⅡ+Ⅲ會逐漸減小，但均大于5 min，1.5C時tⅡ+Ⅲ最小，為303 s，比0.3C時縮短了1 447 s。

圖3 為不同過充倍率條件下電池的溫升速率。當溫升速率大于1 ℃/s 時，表示電池熱失控被觸發，由圖3 可以看出：過充倍率越大，電池熱失控觸發時間越短，0.3C時，熱失控觸發時間最長，為7 620 s；1.5C時的熱失控觸發時間最短，為1 270 s。結合表2 中列出的過充致熱失控的臨界參數可以發現，過充倍率越大，熱失控觸發溫度越低。0.3C時，熱失控觸發溫度最高，為104 ℃；1.5C時的熱失控觸發溫度最低，為79.8 ℃，這是因為過充倍率越大，正極材料過度脫鋰，材料結構發生變化，并且鋰枝晶生長速度加快，副反應產熱和內部微短路造成的熱量積累越快，從而熱失控觸發溫度越低。過充容量先增大后減小，與上述A、B 的過充容量趨勢一致。熱失控過程中，電池本體的最高溫度與過充電產生的焦耳熱、副反應放熱以及熱失控過程中爆炸或燃燒釋放的熱量有關，由于在0.3C、0.5C和1C過充條件下，電池發生爆炸，內部材料不同程度地被噴出外殼后在外界燃燒，因此本體最高溫度較低，1.5C過充電條件下，電池沒有發生爆炸，電極材料在電池內部發生燃燒，因此本體最高溫度較高。

圖3 不同過充倍率下電池的溫升速率

表2 不同過充倍率下三元電池熱失控的臨界參數

3 總結

本文對90%SOH的三元動力電池在不同倍率下進行了過充實驗。通過實驗現象、電池溫度和電壓變化等，系統地研究了三元電池過充致熱失控的特性。結果表明：

(1)三元動力電池過充致熱失控實驗現象可分為四個階段：開始過充階段、安全閥打開階段、爆炸或爆燃階段和冷卻階段。根據實驗現象可得，在1.5C的過充倍率下，電池熱失控時僅發生劇烈燃燒，未發生爆炸。

(2)在過充過程中，溫度和電壓隨時間的變化趨勢一致。過充倍率越大，熱失控觸發時間越短，觸發溫度越低，其中1.5C時的熱失控觸發溫度最低，為79.8 ℃，比0.3C時的觸發溫度低24.2 ℃。故過充倍率越大，越容易發生熱失控。

(3)電池電壓在熱失控過程中均會發生先緩慢下降再驟升然后驟降為0 V 的現象，且電壓緩慢下降到熱失控完全觸發(電壓驟降為0 V)至少有5 min 的反應時間，因此，建議將充電過程中，電壓達到最高點后的持續下降作為熱失控預警的參考。

致謝：感謝北京工業大學材料與制造學部汪浩教授和中國電力科學研究院有限公司范茂松高級工程師對本論文的支持和幫助！