隨著電動汽車續(xù)航里程的不斷增加，能量密度更高的三元材料逐漸替代了穩(wěn)定性更好的磷酸鐵鋰材料。雖然三元材料為動力電池帶來了更高的能量密度，但是其熱穩(wěn)定性較低，特別是高鎳材料在200℃度左右就開始發(fā)生分解，釋放O2，這也導致了三元材料鋰離子電池的安全性要低于磷酸鐵鋰材料電池，因此一旦發(fā)生電濫用、熱濫用和機械濫用等，就容易引起電池熱失控。

 

       近日，應急管理部天津消防研究所的羨學磊（第一作者）和董海斌（通訊作者）對三元軟包鋰離子電池在熱觸發(fā)和過充觸發(fā)熱失控兩種情況下的熱失控行為，研究表明熱觸發(fā)情況下主要是正極材料高溫分解產生O2與電解液氣化后產生的混合氣體噴出，因此電池直接噴射火焰，而又過充觸發(fā)的熱失控則主要來自于負極與電解液反應產生的大量的烷烴類氣體，因此電池先發(fā)生噴射，然后被點燃。

 

       實驗中作者采用的軟包三元鋰離子電池的基本信息如下圖所示，電池的正極材料采用的為NCM811，負極為石墨，電池容量為107Ah。

 

       為了觀測上述的軟包電池在熱失控過程中的行為，作者設計了下圖所示的觀測系統(tǒng)，采用高速相機（4000幀/s）、熱成像相機和普通相機記錄了整個熱失控過程。實驗中作者采用了兩種方式觸發(fā)熱失控，第一種是加熱的方式，通過在電池下部增加一個熱板，對滿電態(tài)的電池進行加熱，觸發(fā)熱失控。第二種方式是采用充放電設備對電池進行持續(xù)充電，通過過充的方式觸發(fā)電池熱失控。

 

       其中熱觸發(fā)主要包含以下步驟：

 

       充滿電

       加熱，直至熱失控

       停止加熱

       過充觸發(fā)則包含以下步驟：

 

       充滿電

       以50A電流持續(xù)對電池進行充電，直至熱失控

       停止充電

       加熱觸發(fā)熱失控
 

       熱觸發(fā)過程總計可以分為五個步驟：1.加熱，電池鼓包；2.一端爆噴；3.另一段爆噴；4.安靜燃燒；5. 結束。通過測試數據發(fā)現，當電池被加熱到215.7 ℃時，電池開始出現明顯的鼓脹和電解液爆噴現象，電池的一端出現噴火。大約7s后電池的另一端也開始出現噴火，同時電池四周也開始破裂，出現噴火，這一過程持續(xù)了19s，最高溫度為720.1 ℃。隨后電池進入到安靜燃燒的過程，這一過程持續(xù)了28s。在整個加熱的過程中電池的電壓基本無變化，直到電池出現爆噴后，電池電壓突然下降為0V，這表明我們無法通過檢測電壓異常的方式預警電池熱失控。

 

       為了驗證電池熱失控的觸發(fā)溫度，作者分別將電池加熱到100 ℃、150 ℃和200 ℃，測試結果表明電池在100和150 ℃下均不會發(fā)生熱失控，只有當加熱溫度超過200 ℃才會觸發(fā)熱失控。

 

       下圖為作者采用高速相機記錄的電池熱失控瞬間的畫面，可以看到電池時從靠近極耳的位置發(fā)生破裂，同時電池爆噴的速度非�？�，在不到0.5s的時間里就有大量的火焰從鋁塑膜的破口出噴出。

       過充觸發(fā)熱失控
 

       過充觸發(fā)熱失控同樣可以分為5個階段：1. 電池鼓脹；2. 一端爆噴；3. 另一端爆噴；4. 安靜燃燒；5. 結束。

 

       測試發(fā)現當電池過充達到126%SoC時，電池表面最高溫度達到98.7 ℃，電池最大升溫速度為1.7 ℃/min，隨后電池的膨脹速度和升溫速度也開始快速增加，電池表面及極耳處的升溫速率不低于5 ℃/min，隨后電池的一端發(fā)生爆噴，在一端爆噴后的2s左右，另一端也發(fā)生了爆噴，同時電池的另外兩個長邊也出現撕裂的現象，電池開始朝著多個方向噴火，整個過程持續(xù)了大約5s。隨后電池開始安靜燃燒，這一過程持續(xù)了43s左右，在整個過程中電池的電壓一直持續(xù)升高，直到電池發(fā)生爆噴，電壓突然下降為0V。

 

 

       下圖為高速相機記錄的過充引起的電池爆噴現象，從圖中能偶看到首先電池一端的極耳開裂，噴出霧氣及高溫熔融狀態(tài)的固態(tài)顆粒，在爆噴的過程中，電池開口處出現了電火花，電解液被引燃，發(fā)生劇烈的爆炸式燃燒。

       在過充引發(fā)的電池爆噴中，電池噴出的電解液在初期并沒有發(fā)生燃燒，當這些可燃的氣體和液體與空氣中的氧氣達到一定的濃度時，電池噴出車的熔融顆粒會突然將其引燃，引起爆炸式燃燒（如下圖所示）。

       羨學磊的研究表明，加熱觸發(fā)和過充觸發(fā)的熱失控在電池的行為上存在一定的區(qū)別，其中加熱觸發(fā)時電池外殼破裂時噴出的氣體中混有相當數量的O2，因此電池直接噴射火焰，而在過充觸發(fā)熱失控時電池首先噴出的液體和氣體，以及熔融顆粒的混合物，在與空氣中的氧氣混合達到一定的濃度后才被引燃，隨即發(fā)生了爆炸式燃燒，其劇烈程度甚至要高于加熱觸發(fā)的熱失控。

 

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       三元鋰離子動力電池熱失控及火災特性研究，《儲能科學與技術》2020. 19（01）:239-249，羨學磊，董海斌，張少禹，李毅，劉連喜，于東興，盛彥鋒，伊程毅，韓光