锂离子电池从单体到模组热失控扩展的研究
由于锂离子电池具有较高的能量密度,同时正负极材料热稳定性较低,电解液为易燃的有机体系,因此,锂离子电池在一定条件下可能发生严重的安全问题,比如高温甚至起火爆炸。锂离子电池发生安全问题的原因多种多样,诸如机械类破坏、环境类破坏、电气类破坏以及自身不稳定等。机械类破坏主要指在锂离子电池受到外界机械应力时可能会发生变形、破裂而导致电池短路、漏液、燃烧;环境类破坏指锂离子电池在不适宜的环境下工作时导致的安全问题,例如高温条件下锂离子电池产热并且在热量积累到一定程度时发生起火爆炸等事故;电器类破坏最常见的形式就是电池的过充电;另外,锂离子电池由于长期使用而引起的例如锂枝晶生长等材料和结果的变化,可能会导致电池的内短路等情况的发生而引起安全问题。但是不管造成锂离子电池安全问题的原因是什么,锂离子电池最终表现出来的安全事故都是伴随着内外部短路而温度急剧升高甚至发生起火爆炸,即锂离子电池热失控问题。
随着锂离子电池在电动汽车及储能领域大规模应用,通常情况下电动汽车采用的电池模块都很大,例如Nissan Leaf的蓄电池采用锰酸锂(LiMn
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)做为正极材料,电池模块包含192块34Ah的单体电池,整个电池模块包括控制电路在内共重300kg。Tesla Roadster 的电池模块由6831只18650电池组成。如果因为设计原因或者是冷却系统故障造成热量不能及时充分地被排出到电池模块的外部,模块内部的一个或多个单电池就会形成热量积累。如果使电池的温度最终达到热失控温度,可能使电池发生泄漏或燃烧,甚至引起电池炸裂。由锂离子电池热失控而引发的整个电池系统的大规模的失控现象就是锂离子电池热失控扩展。对于大容量、高功率的大型锂离子电池模块,安全性问题则更为突出。由于热失控扩展发生在大型锂离子电池模块上,起火后扑灭难度很高,往往会造成人员伤亡和较大经济损失,造成的影响非常大。
1 试验
1.1 试验样品
1.2 比热容测试
为了计算锂离子电池电化学产热量以及产热速率,需要测定该款电池的比热容Cp,同时为了给热模型提供热特性基础参数,也需要比热容这个重要的热力学参数。比热容测试采用的是恒功率加热的测试方法,利用加速绝热量热仪(ARC)所提供的绝热环....
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