《儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)》推薦|姚斌等：過(guò)充、過(guò)熱及其共同作用下車(chē)用三元鋰離子電池?zé)崾Э靥匦?/h4>

原創(chuàng) 何驍龍 石曉龍等 儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)

儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)

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#2023年第1期 24 個(gè)

#研究 164 個(gè)

作者： 何驍龍( ), 石曉龍, 王子陽(yáng), 韓路豪, 姚斌( ) 

單位： 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

引用：   何驍龍,石曉龍,王子陽(yáng)等.過(guò)充、過(guò)熱及其共同作用下車(chē)用三元鋰離子電池?zé)崾Э靥匦訹J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù),2023,12(01):218-226.

DOI： 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0391

摘 要   鋰離子電池作為目前電動(dòng)汽車(chē)的主要能源電池，其在外界濫用條件下的熱失控問(wèn)題受到廣泛關(guān)注，研究不同濫用下尤其是多種濫用共同作用下的電池?zé)崾Э靥匦钥捎行岣唠姵厥褂冒踩浴１竟ぷ饕攒?chē)用50 Ah方型動(dòng)力三元鋰離子電池單體作為研究對(duì)象，利用大功率充放電循環(huán)儀和電加熱裝置，進(jìn)行了1 C倍率過(guò)充、150 W局部過(guò)熱及其共同作用下的電池?zé)崾Э貙?shí)驗(yàn)。對(duì)不同工況下熱失控實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、質(zhì)量損失、溫度變化、升溫速率變化、升溫部位和電壓變化等實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明：過(guò)充過(guò)熱共同作用下電池?zé)崾Э鼐哂懈笪ｋU(xiǎn)性，電池?zé)崾Э貢r(shí)間比單一濫用減少約35%，熱失控時(shí)電池SOC比過(guò)充減小約35%，電池電壓會(huì)出現(xiàn)“持續(xù)上升—突降至零”現(xiàn)象。本研究可為車(chē)用三元鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)安全設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞   三元鋰離子電池；熱失控；過(guò)充；過(guò)熱；共同作用

近年來(lái)在傳統(tǒng)能源短缺和大氣污染的背景下，新能源汽車(chē)在全球范圍內(nèi)得到了迅速的發(fā)展，我國(guó)《新能源汽車(chē)行業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》也指出發(fā)展新能源汽車(chē)是綠色發(fā)展的重要戰(zhàn)略。鋰離子電池具有高能量密度、高電壓和長(zhǎng)循環(huán)壽命等突出優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)上，是目前電動(dòng)汽車(chē)的主要能源電池。另一方面，由于鋰離子電池的高能量密度和較低熱穩(wěn)定性，電池在外界濫用條件下將發(fā)生熱失控從而造成汽車(chē)安全事故。

觸發(fā)電池?zé)崾Э氐膯我粸E用條件可分為機(jī)械濫用、電濫用和熱濫用三類(lèi)。不同濫用觸發(fā)熱失控的機(jī)理不同，熱失控行為也有所區(qū)別，針對(duì)不同濫用觸發(fā)電池?zé)崾Э氐膶?duì)比研究已被廣泛開(kāi)展并取得一定成果。陳吉清等對(duì)12 Ah車(chē)用三元鋰電池進(jìn)行了過(guò)溫、過(guò)充和內(nèi)短路三種熱失控實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)相同條件下過(guò)充熱失控的劇烈程度最強(qiáng)。Huang等對(duì)38 Ah三元鋰電池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究了過(guò)充和過(guò)熱觸發(fā)熱失控及傳播的特性，結(jié)果表明，過(guò)充觸發(fā)熱失控更加嚴(yán)重，但開(kāi)放環(huán)境中過(guò)熱觸發(fā)的熱失控更易傳播。除了單一濫用，電池在復(fù)雜多變的工作環(huán)境中將面臨不止一種濫用條件，其中以電熱共同作用最為常見(jiàn)，如在電動(dòng)汽車(chē)充電站火災(zāi)中車(chē)輛電池將受到電和熱的共同影響從而觸發(fā)熱失控，目前已有學(xué)者開(kāi)始對(duì)多種濫用共同作用觸發(fā)熱失控展開(kāi)研究。許金龍等建立了電熱耦合濫用的鋰離子電池?zé)崾Э啬Ｐ停Y(jié)果表明在過(guò)充過(guò)熱耦合下，電池?zé)崾Э豐OC有所降低。朱磊采用數(shù)值模擬方法以溫度為媒介建立了熱-電濫用耦合模型，研究表明加熱位置為正極極耳時(shí)的溫度整體略低于在負(fù)極極耳處加熱，過(guò)充是電濫用中最危險(xiǎn)的因素。

綜上可知目前對(duì)于不同濫用觸發(fā)鋰離子電池?zé)崾Э氐膶?shí)驗(yàn)研究主要針對(duì)單一濫用場(chǎng)景，而對(duì)電-熱共同濫用的研究多采用數(shù)值模擬，且未和單一濫用觸發(fā)熱失控進(jìn)行充分對(duì)比。另一方面鋰離子電池隨容量增大而散熱能力減弱，電池?zé)嵛ｋU(xiǎn)性相應(yīng)增大，因此有必要采用更大容量鋰離子電池作為研究對(duì)象?；谝陨戏治觯竟ぷ麽槍?duì)50 Ah方型動(dòng)力三元鋰離子電池單體進(jìn)行過(guò)充、過(guò)熱及其共同作用的熱失控實(shí)驗(yàn)，對(duì)比討論三種條件下電池?zé)崾Э氐娜紵F(xiàn)象、溫度和電壓變化等結(jié)果，以得到電-熱共同濫用與單一濫用下車(chē)用三元鋰離子電池?zé)崾Э靥匦詤^(qū)別，所得結(jié)論可對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電站等存在多種濫用條件的特殊場(chǎng)所的電池安全預(yù)警技術(shù)開(kāi)發(fā)提供一定參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1　實(shí)驗(yàn)對(duì)象

實(shí)驗(yàn)選取一款額定容量為50 Ah的某商用方型鋁殼三元NCM523鋰離子電池作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，即電池正極材料鎳鈷錳的比例為5∶3∶2，電池尺寸為148 mm×27 mm×97 mm，最大截止電壓4.2 V，最小截止電壓2.7 V。對(duì)實(shí)驗(yàn)電池進(jìn)行充放電循環(huán)，電池的充放電容量保持在(51.2±0.5) Ah，常溫下內(nèi)阻為0.4 mΩ，表明該批次電池一致性滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求。實(shí)驗(yàn)前將電池充電至100%SOC。

1.2　實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)在特制燃燒室進(jìn)行，如圖1所示，燃燒室尺寸為1015 mm×700 mm×1820 mm，由5 mm不銹鋼板+50 mm陶瓷纖維板+1 mm不銹鋼板制成，能夠承受電池爆炸、燃燒產(chǎn)生的沖擊波和高溫火焰，保證實(shí)驗(yàn)安全進(jìn)行。正面開(kāi)窗并安設(shè)防爆玻璃用于觀察實(shí)驗(yàn)，側(cè)部設(shè)有穿線孔用以安裝熱電偶、電壓線等探測(cè)裝置，頂端安裝排氣管，排氣管尾端連接風(fēng)機(jī)，設(shè)有氣體采樣口。

圖1     實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖

實(shí)驗(yàn)時(shí)將電池放置在鋼制夾具之中，通過(guò)旋緊螺栓螺桿固定電池。為減少夾具對(duì)傳熱影響，在夾具和電池之間放置環(huán)氧樹(shù)脂隔熱板，隔熱板尺寸和電池前后表面尺寸一致。實(shí)驗(yàn)使用THW無(wú)紙記錄儀采集電池電壓數(shù)據(jù)，在燃燒室觀察窗外布設(shè)高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)和紅外熱成像儀記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

實(shí)驗(yàn)采用直徑為1 mm的鎧裝K型熱電偶進(jìn)行溫度測(cè)量，溫度數(shù)據(jù)采樣頻率為1 Hz。在電池正面中心、側(cè)面中心、正負(fù)極片表面各安裝1個(gè)熱電偶，在電池背面沿對(duì)角線安裝3個(gè)熱電偶，具體熱電偶布置示意圖如圖2所示。

圖2     熱電偶布置示意圖

1.3　實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)共設(shè)置過(guò)充、過(guò)熱及過(guò)充過(guò)熱共同作用三種工況，每組工況至少重復(fù)兩組實(shí)驗(yàn)。過(guò)充采取1 C倍率，為控制過(guò)充和過(guò)熱的熱失控時(shí)間趨近一致以便對(duì)比討論，前期進(jìn)行了預(yù)實(shí)驗(yàn)確定加熱功率為150 W，該加熱功率下電池?zé)崾Э貢r(shí)間接近于1C過(guò)充下電池?zé)崾Э貢r(shí)間。詳細(xì)工況參數(shù)見(jiàn)表1。各工況實(shí)驗(yàn)示意圖如圖3所示。

表1   工況設(shè)置

圖3     三組工況實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

過(guò)充實(shí)驗(yàn)采用新威CE-6001n大功率充放電循環(huán)儀進(jìn)行，該型號(hào)循環(huán)儀額定功率7058 W，最大可輸出100 A的直流充電電流，本次實(shí)驗(yàn)采用50 A電流，即以1 C的充電倍率對(duì)電池恒流充電，直至電池發(fā)生熱失控，循環(huán)儀自動(dòng)斷電報(bào)警。

過(guò)熱實(shí)驗(yàn)采用電加熱片對(duì)電池正面進(jìn)行加熱，加熱片外部為鋁片，內(nèi)部由電阻絲和云母片構(gòu)成，加熱片尺寸與電池前后表面尺寸一致。加熱片功率設(shè)置為150 W，實(shí)驗(yàn)時(shí)將加熱片放置于隔熱板與電池正面之間，夾緊夾具使其充分接觸，電池發(fā)生熱失控時(shí)手動(dòng)關(guān)閉加熱片電源。

過(guò)充過(guò)熱共同作用實(shí)驗(yàn)采用50 A電流恒流充電和150 W正面加熱，電池發(fā)生熱失控時(shí)循環(huán)儀自動(dòng)斷電報(bào)警，手動(dòng)關(guān)閉加熱片電源。

2 結(jié)果與討論

2.1　燃燒現(xiàn)象

三組工況發(fā)生熱失控時(shí)間見(jiàn)表2(±為重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果)，工況1和工況2的熱失控時(shí)間在充電或加熱約1500 s后，工況3發(fā)生熱失控最快，僅用時(shí)1008 s，比單獨(dú)過(guò)充觸發(fā)熱失控時(shí)間縮短34.7%，比單獨(dú)過(guò)熱觸發(fā)熱失控時(shí)間縮短35.3%，這說(shuō)明在過(guò)充過(guò)熱共同作用下電池到達(dá)熱失控臨界點(diǎn)更為迅速，意味著電池安全系統(tǒng)對(duì)電池?zé)崾Э氐念A(yù)警時(shí)間更為緊張，做出有效反應(yīng)的難度更大。三組工況的熱失控燃燒現(xiàn)象存在較大差異，如圖4所示。

表2   三組工況熱失控時(shí)間

圖4     三組工況熱失控燃燒后 1 s 、 3 s 、 8 s 現(xiàn)象和熱失控后電池外觀： (a)  工況 1 ； (b)  工況 2 ； (c)  工況 3

工況1熱失控時(shí)電池發(fā)生了猛烈的爆炸，泄壓閥立即被炸開(kāi)，并迅速釋放出強(qiáng)烈的噴射火和沖擊波，電池上方火焰持續(xù)了3 s后熄滅，同時(shí)觀察到夾具周?chē)辛闵⒖扇嘉锶紵?，約90 s后燃燒室室內(nèi)火焰徹底熄滅。熱失控結(jié)束后電池泄壓閥、極片和頂部鋁殼已完全脫離電池外殼，電池只有四周和底部結(jié)構(gòu)完整，電池內(nèi)部卷芯等物質(zhì)被全部噴放到電池外部，散落在燃燒室各處，實(shí)驗(yàn)中觀察到的夾具周?chē)扇嘉锛词潜粐姺懦龅碾姵鼐硇镜任镔|(zhì)。工況2熱失控發(fā)生時(shí)電池泄壓閥打開(kāi)，并立即釋放出高速氣體，同時(shí)電池內(nèi)部釋放出的固體顆粒與泄壓閥外殼摩擦出現(xiàn)火星，隨后泄壓閥上方形成噴射火，并發(fā)生爆燃，而后火焰穩(wěn)定燃燒，約106 s后熄滅。工況3過(guò)充過(guò)熱共同作用的熱失控現(xiàn)象與工況2類(lèi)似，但程度上更劇烈，熱失控發(fā)生時(shí)泄壓閥打開(kāi)，并立即釋放出高速氣體和固體顆粒，電池內(nèi)部物質(zhì)與泄壓閥摩擦出現(xiàn)大量火星，并迅速形成強(qiáng)烈的噴射火，發(fā)生劇烈的爆燃，使得火焰溢出燃燒室，隨后火焰穩(wěn)定燃燒，約132 s后熄滅。

實(shí)驗(yàn)前后的質(zhì)量損失也反映了熱失控的劇烈程度，如圖5所示，工況1質(zhì)量損失率到達(dá)了96.32%，由于工況1熱失控巨大的能量形成了強(qiáng)烈爆炸，使得電池結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞，熱失控后電池只剩下外部鋁殼，因此質(zhì)量損失率接近100%。工況2和3的質(zhì)量損失都是通過(guò)泄壓閥釋放內(nèi)部物質(zhì)和反應(yīng)產(chǎn)物造成的，而工況3的質(zhì)量損失率為61.95%，大于工況2的44.31%，這說(shuō)明在工況3電池內(nèi)部從泄壓閥噴放出的物質(zhì)要多于工況2，表明工況3內(nèi)部副反應(yīng)更為劇烈。工況1和工況3的熱失控行為較工況2劇烈的原因在于電池被過(guò)度充電，電池自身具有了更多能量，發(fā)生熱失控時(shí)電池SOC超過(guò)100%，內(nèi)部副反應(yīng)更為劇烈，電池放出更多熱量，文獻(xiàn)[ 6 ]研究也表明過(guò)充熱失控電池通過(guò)泄壓閥釋放的熱量是過(guò)熱熱失控的6～7倍。本實(shí)驗(yàn)中工況1的過(guò)度充電最多，其內(nèi)部副反應(yīng)導(dǎo)致電池內(nèi)部壓力在極短時(shí)間內(nèi)迅速升高，超過(guò)了泄壓閥所設(shè)計(jì)的泄壓壓力，使得大量高溫可燃?xì)怏w、電解液和電極材料等物質(zhì)瞬間沖破了電池頂部鋁殼，電池結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞。工況1電池結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞的情況并非個(gè)例，在重復(fù)實(shí)驗(yàn)中均出現(xiàn)了該現(xiàn)象。這種結(jié)果在前人對(duì)小容量鋰離子電池的研究中比較少見(jiàn)，反映出大容量三元鋰離子電池?zé)崾Э氐膰?yán)重危險(xiǎn)性。

圖5     (a) 質(zhì)量損失率； (b) 熱失控后電池外觀對(duì)比

綜上可得過(guò)充過(guò)熱共同作用下電池?zé)崾Э貢r(shí)間更快，較單一濫用縮短了約35%；過(guò)充條件下和過(guò)充過(guò)熱共同作用下電池?zé)崾Э赝ㄟ^(guò)釋放氣體放出的熱量顯著高于過(guò)熱條件下。

2.2　溫度變化

三組工況電池表面溫度曲線如圖6所示，其中電池背面溫度取對(duì)角線3個(gè)熱電偶數(shù)據(jù)的平均值 ，極片溫度統(tǒng)一選取負(fù)極溫度 T _cathode 。

圖6     三組工況溫度 - 時(shí)間變化曲線圖： (a) 工況 1 ； (b) 工況 2 ； (c) 工況 3

取熱失控發(fā)生時(shí)電池側(cè)面溫度為熱失控溫度 T _tr ，發(fā)現(xiàn)不同工況下的 T _tr 并不一致，其中工況1的 T _tr 最低，只有96.5 ℃，工況2的 T _tr 最高為151.0 ℃，工況3過(guò)充和過(guò)熱共同作用的熱失控溫度介于兩種單一濫用之間，出現(xiàn)差異的原因在于電濫用和熱濫用觸發(fā)熱失控的機(jī)理不同。過(guò)充條件下，電池負(fù)極表面鋰金屬不斷沉積生長(zhǎng)出鋰枝晶刺破內(nèi)部隔膜，造成電池內(nèi)短路，引發(fā)熱失控。過(guò)熱條件下，電池的負(fù)極SEI膜、隔膜和正極材料先后受熱分解，發(fā)生副反應(yīng)放出大量熱從而造成熱失控。因此在使用以溫度為參考的熱管理預(yù)警系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)以過(guò)充觸發(fā)熱失控溫度為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

工況1電池各表面溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于工況2和工況3，其表面最高溫度僅為249.1 ℃，工況2和工況3電池的表面最高溫度相差不大，且都超過(guò)了700 ℃。結(jié)合燃燒現(xiàn)象和質(zhì)量損失進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)這是由于工況1電池的頂部鋁殼被炸開(kāi)，電池內(nèi)部物質(zhì)全部噴放到了電池外部，電池外表面沒(méi)有內(nèi)部熱源進(jìn)行傳熱，而工況2和3在熱失控發(fā)生后電池內(nèi)部仍有大量物質(zhì)在發(fā)生放熱反應(yīng)，并持續(xù)向電池外表面?zhèn)鳠?，因此工況1電池表面溫度遠(yuǎn)低于另外兩種工況。表3展示了三組工況的熱失控溫度和電池表面最高溫度。由于在電池模組中電池單體之間緊密排列，電池之間的熱量傳遞方式主要是電池表面之間的熱傳導(dǎo)，因此熱失控電池表面溫度越高，熱失控在電池模組傳播的風(fēng)險(xiǎn)也越大，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明過(guò)熱過(guò)充共同作用和過(guò)熱觸發(fā)的熱失控在開(kāi)放環(huán)境中將比過(guò)充更易傳播。

表3   三組工況熱失控溫度與表面最高溫度

圖7展示了三組工況電池表面平均溫度升溫速率，發(fā)現(xiàn)工況1與工況2、3的升溫速率及其變化趨勢(shì)有較大不同。由于工況1電池結(jié)構(gòu)遭到了嚴(yán)重破壞，電池表面升溫速率遠(yuǎn)低于工況2和3，其最大升溫速率只有5.1 ℃/s，同時(shí)觀察到工況1在60 ℃附近升溫速率出現(xiàn)了拐點(diǎn)，由較恒定的0.027 ℃/s穩(wěn)定上升到0.17 ℃/s，這將在電壓變化部分中進(jìn)行討論。工況2和工況3的升溫速率趨勢(shì)大體相似，均是在熱失控發(fā)生瞬間升溫速率突然增大，其中工況2的最大升溫速率為23.0 ℃/s，略大于工況3的最大升溫速率21.6 ℃/s，但在熱失控前工況3的升溫速率為0.11 ℃/s，要高于工況2的0.037 ℃/s，這是因?yàn)楣r3電池同時(shí)受到電和熱的影響而導(dǎo)致升溫，工況2只受到加熱片的作用。

圖7     三組工況升溫速率變化圖： (a)  工況 1 ； (b)  工況 2 ； (c)  工況 3

三組工況電池的溫度分布也呈現(xiàn)出較大差異。在熱失控發(fā)生前，工況1和3電池負(fù)極片溫度 T _cathode 達(dá)到了200 ℃以上，遠(yuǎn)高于同時(shí)期工況2的極片溫度，因?yàn)楣r1和3電池正負(fù)極片連接了充電線，大電流經(jīng)過(guò)極片時(shí)電池產(chǎn)生了焦耳熱，在極片處導(dǎo)致了升溫。工況1極片處溫度也是電池的最高溫度，一是由于電流焦耳熱造成的溫升，二是電池結(jié)構(gòu)遭到破壞內(nèi)部反應(yīng)未能充分放熱至外表面。工況2和3電池的最高溫度為電池正面溫度 T _front ，這是因?yàn)殡姵卣媾c加熱片直接接觸，受到外部和內(nèi)部雙重?zé)嵩磦鳠帷臒岢上裰幸部煽闯霾煌r下溫度分布的特點(diǎn)，如圖8所示。工況1最先升溫的部位是電池極片，工況2最先升溫的部位是電池正面，而工況3最先升溫的部位有電池極片和電池正面，表明同時(shí)受到了電和熱的影響。同時(shí)從熱成像中還可以觀察到充電線在充電至熱失控前也達(dá)到了極高溫度，在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中也應(yīng)當(dāng)注意監(jiān)測(cè)，采取相應(yīng)安全措施。

圖8     (a) 三組工況實(shí)驗(yàn)早期熱成像； (b) 三組工況實(shí)驗(yàn)后期熱成像

綜上可得過(guò)熱條件下和過(guò)充過(guò)熱共同作用下熱失控時(shí)電池表面溫度較高，其通過(guò)電池表面熱傳導(dǎo)放出的熱量要顯著高于過(guò)充條件下；過(guò)充過(guò)熱共同作用下電池先升溫部位有兩個(gè)，而單一濫用只有一個(gè)。

2.3　電壓變化

三組工況的電壓變化和充電容量曲線如圖9所示。工況2未涉及充電，電壓曲線較為簡(jiǎn)單，電池電壓初期一直保持在4.2 V左右，直到熱失控前35 s電壓突降為0，這說(shuō)明電池內(nèi)部在此時(shí)發(fā)生了嚴(yán)重的內(nèi)短路。重點(diǎn)分析工況1和3的電壓變化，工況1發(fā)生熱失控時(shí)電池已充入21.41 Ah電量，電池SOC為141.8%，工況3熱失控時(shí)電池已充入13.99 Ah電量，電池SOC為127.3%，工況3比工況1少充電7.42 Ah，減少了34.7%，這也和前人模型中過(guò)充過(guò)熱耦合下電池?zé)崾Э豐OC有所降低的結(jié)論相吻合。

圖9     三組工況電壓 - 時(shí)間變化曲線圖： (a)  工況 1 ； (b)  工況 2 ； (c)  工況 3

在工況1中觀察到電池電壓在充電作用下緩慢升高，待充電至137.2%SOC時(shí)，電壓達(dá)到峰值5.0 V并開(kāi)始緩慢下降，最后在熱失控前34 s突降至0。值得注意的是在電池電壓達(dá)到最高值開(kāi)始下降時(shí)，電池表面溫度升高也明顯變快，即圖7(a)中升溫速率由較恒定的0.027 ℃/s穩(wěn)定上升到0.17 ℃/s的現(xiàn)象，此時(shí)電池內(nèi)部石墨負(fù)極正在進(jìn)行析鋰反應(yīng)，負(fù)極表面過(guò)嵌的鋰開(kāi)始形成鋰枝晶，暴露的鋰與電解液發(fā)生反應(yīng)，并放出一定熱量。在工況3中，電池電壓開(kāi)始一直保持緩慢上升趨勢(shì)，直到熱失控前17 s從最高值4.7 V突降至0。相較于工況1，工況3并未出現(xiàn)電壓達(dá)到一定值后緩慢下降的現(xiàn)象，這是因?yàn)殡姵匚闯淙胱銐虻碾娏浚r3直到熱失控時(shí)電池SOC僅為127.3%，未能達(dá)到工況1出現(xiàn)這種現(xiàn)象時(shí)的137.2%SOC。由此也推斷過(guò)熱和過(guò)充共同作用觸發(fā)熱失控的內(nèi)在機(jī)理不會(huì)是負(fù)極生長(zhǎng)鋰枝晶刺破隔膜，應(yīng)偏向于過(guò)熱觸發(fā)熱失控的機(jī)理，即由升溫引起的內(nèi)部連鎖副反應(yīng)放出熱量，使得隔膜熔化導(dǎo)致內(nèi)短路最終造成熱失控。三種工況下電壓突降至0均發(fā)生在熱失控前數(shù)十秒，因此可將電壓異常變化作為電池?zé)崾Э仡A(yù)警的一項(xiàng)重要參數(shù)。

綜上可得過(guò)充過(guò)熱共同作用下電池?zé)崾Э貢r(shí)SOC比過(guò)充下熱失控減小了約35%；過(guò)充過(guò)熱共同作用下電池電壓變化不同于單一濫用，出現(xiàn)了“持續(xù)上升—突降至零”的現(xiàn)象。

3 結(jié)論

本工作對(duì)車(chē)用50 Ah方型鋁殼三元鋰離子電池分別開(kāi)展了1 C過(guò)充、150 W局部加熱及二者共同作用觸發(fā)熱失控的實(shí)驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論。

（1）過(guò)充過(guò)熱共同作用觸發(fā)熱失控最快，本工作案例中，過(guò)充過(guò)熱共同作用觸發(fā)熱失控比單一濫用縮短約35%的時(shí)間。與單一濫用相比，過(guò)充過(guò)熱共同作用下鋰離子電池通過(guò)釋放氣體和表面熱傳導(dǎo)兩種方式均能向外界放出較大熱量，具有更大危險(xiǎn)性。

（2）過(guò)充過(guò)熱共同作用觸發(fā)熱失控時(shí)電池SOC比過(guò)充觸發(fā)熱失控時(shí)降低了約35%。

（3）不同于單一濫用，過(guò)充過(guò)熱共同作用下電池電壓會(huì)出現(xiàn)“持續(xù)上升—突降至零”現(xiàn)象，可利用電壓變化作為電池?zé)崾Э仡A(yù)警的一項(xiàng)指標(biāo)。

第一作者： 何驍龍（1998—），男，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)殇囯x子電池?zé)岚踩夹g(shù)，E-mail：hexiaolong@mail.ustc.edu.cn

通訊作者： 姚斌，副教授，研究方向?yàn)榛馂?zāi)科學(xué)領(lǐng)域，E-mail：binyao@ustc.edu.cn。

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