动力锂电池-产业专题

欧阳明高：电池热失控的3大机理与4大控制方法

时间:2019-10-22 作者:系统超管来源:中国储能网

电池热失控事件的出现，阻碍了电动汽车的市场发展。在此背景下，亟须找出背后真正的原因，电池安全的机理，并且找到一系列的举措，以解决电池安全问题。

正极从LFP到NCM622再到NCM811，负极从石墨到硅碳，中国一直在高能密度锂离子电池的战略中冲在前线。目前三元单体电芯已经实现300Wh/kg，2020年的目标是电池组能量密度达到200Wh/kg。

然而在此过程中，电池热失控事件的出现，阻碍了电动汽车的市场发展。在此背景下，亟须找出背后真正的原因，电池安全的机理，并且找到一系列的举措，以解决电池安全问题。

在2019 IBSW国际电池安全大会上，中国科学院院士、清华大学欧阳明高教授就电池热失控方面的研究进展展开了主旨分享。

3种热失控机理

欧阳明高指出，高比能量动力电池主要有3种热失控机理，第一种是隔膜刺穿导致内短路引发热失控。第二种是高比能量电池正级析释活性氧，析氧密度随着比能量提升在不断下降。第三种是负极析活性锂，就是快充或者过充引起的。

热失控控制4大进展

针对热失控控制进展，欧阳明高做了4个方面介绍：第一，内短路和控制内短路的方法，即BMS。

第二，正极析氧引发的热失控和电池的热设计。

第三，负极析锂跟电解液的剧烈反应导致的热失控以及充电控制。

如果这三个机理、三种技术都不能解决热失控问题，还有最后一招，就是抑制热蔓延，通过了解热蔓延的规律，把热蔓延抑制住，可最终防止安全事故的发生。

具体来看：

第一，内短路和BMS。比如碰撞等机械原因，导致隔膜撕裂；或者是电的原因，充电过充，导致枝晶析锂，枝晶刺破隔膜；或者是过热，导致隔膜的崩溃。所有的原因都跟内短路有关，只是内短路的程度不一样、演变的过程不一样，但是最后都会到隔膜的崩溃和熔化。

因此可以利用加热量热仪和DSC两种联合起来，一个是从材料的放热来解释它的机理，一个是从加热量热对整个单电池进行热失控实验，把热失控的实验跟材料放热特性联合起来分析。

可以看出，隔膜的熔化会导致内短路，升温开始，到隔膜崩溃就会形成T2，直接引发热失控。还可以使用很多辅助手段，包括各种材料分析手段，以及热重和质谱联用的方式，来进行各种物质的分析。

此外，还可从设计角度做很多工作，比方隔膜不太要薄、强度要够等等，共性问题是防止内短路。内短路的实验相对来说比较复杂，没有成熟的规范的方法，所以我们发明了一种新的方法，就是用记忆合金植入电池，加热到一定温度，让记忆合金的锐利的尖角翘起，触发热失控。

研究发现，主要的内短路有四种类型，有些内短路可以立即引发热失控，但是有些内短路是缓慢演变的，有些内短路可能就不危险，但有些内短路在演变之后会很危险，还有一些内短路是一直缓变，还有一些内短路从缓变到突变，有各种各样的类型。

大量实验表明，对于演变型内短路的演变规律，是电压下降，第一个过程主要是电压下降。到第二个部分才会有温升，最后形成热失控。

对于这种缓变，应该在它的第一个过程，就是电压下降阶段就要把它检测出来进行故障诊断，来防止它的进一步恶化，这是内短路检测的算法以及对串联电池组的算法，包括首先是从电压的一致性来进行分析，某一个电池电压下掉，说明这个电池有可能有内短路。