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美国ALLCELL公司|相转变复合材料有效阻止电池热失控发生

截止2016年5月,全世界有150万插电式车用电池组被卖到了世界各地。2015年6月,日本日产公司宣布他们的电池模组累计销售量已经达到25万。此外,电动自行车市场在过去5年稳步增长,并向锂电池动力源逐渐转变。锂离子电池全世界内大规模使用的同时也带了电池安全性问题,尤其是电池的热失控问题直接引发电池组燃烧甚至爆炸,影响人们的生命安全。因此,如何有效地管理热失控是电池Pack行业不得不面临的现实问题。

近日,美国ALLCELL公司Said Al-Hallaj(该公司主要从事电池模块的合理化、轻量化以及热管理设计,其热管理技术研发团队在美国伊利诺伊理工学院)等人提出,相转变复合材料(phase change composite materials; 简称PCC)可最大限度的降低电池模块热管理系统的复杂性,为防止电池热失控提供一种廉价有效的被动保护机制。

相转变材料是一种蜡/石墨复合物,它能够吸收电池工作时或者被滥用条件下产生的热量,本身由固相转化为液相,维持整个电池组温度的均一,防止电池温度升到失控地步。电池停止工作后,被PCC存储的热量通过自然对流被带走或者被一个小的流动的冷却系统带走。和其他被动防止热失控的材料相比,PCC的热传导率高达20W/(mK),远远大于空气的0.024W/(mK)(对圆柱形电池而言)。

作者将PCC用于热管理系统后,第一次从实验的角度研究了热失控在模块中电池间的传播机制。该实验主要是为了了解相比于空气填充(也就是说什么都不填充在电池之间),电池间填充PCC材料后的热传播行为。具体操作是,作者通过针刺某一单体电池去引发热失控,同时记录平行电池(parallel cell,见图1中1-4号电池即为平行电池)和相邻近电池(adjacent cell,见图1中5-8号电池即为邻近电池)的行为反应。通过收集温度、电压以及事后现象来说明热失控时平行电池短路行为,以证明短路电池对于其他平行电池和邻近电池热失控的影响意义。

测试前准备工作:

表1.电池模块组装参数

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表2.单体电池参数

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表3.PCC材料的热性能参数

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图1.电池模块中单体电池排布示意图。1到4号电池称为平行电池。5-8号电池称为临近电池。其中1被针刺,用来引发测试电池模块发生热失控。电池1被称为trigger cell,也就是引发热失控的电池(以下简称引发电池)。

 

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图2.针刺引发电池检验整个电池组热失控的变化。(a)热电偶的安装方式;(b)填充有PCC的电池模块以及热电偶的排布方式;(c)用PVC将电池以相同间距组装在一起;(d)绝缘体壳以及镍集流体;(e)电池模块的铝外壳以及包装泡沫;(f)针刺测试仪器。

作者将测试分为两大部分,从两个角度分别研究PCC材料对热失控的控制:一是引发电池被针刺后,平行电池未发生短路。二是引发电池被针刺后,平行电池发生了短路(是第一种情况的升级版,意思就是进一步提升电池模块热失控的可能性)。

为了实现这一测试,作者通过两种集流体厚度(0.005″型, 厚度为0.127 mm和0.010″型, 厚度未0.254 mm)的不同来控制平行电池是否发生短路,见表4。采用0.005″型集流体的电池模块,引发电池被针刺后产生的热量会将其连接的集流体熔断,并从整个模块中脱离,从而不会对平行电池造成短路。采用0.010″型集流体的电池模块,集流体焊接的比较牢固,即使引发电池发生短路,也不会从集流体脱离,这样可以进一步引发平行电池短路。

表4.作者将采用测试电池模组从1到10编号,依次为Pack1,Pack2,Pack3等等。其中Pack1-3是非PCC电池,电池之间填充的是空气,故以下简称为Air模块,而填充PCC的称为PCC模块。Air电池之所以做3组,是为了重复实验,让结果更令人信服,另外也为了发现单次实验所不能发现的现象。

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第一种情况:引发电池被针刺后,平行电池未发生短路。

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图3.(a)Pack2,Air模块;(b) )Pack5,PCC模块;两模块中平行电池和邻近电池电压均在控制之内,未发生短路。明显的,PCC模块中平行电池和邻近电池的温度要小于Air模块中对应电池的温度,其所有临近电池的温度都在100℃以下,即处于安全温度范围之内。

第一种情况结果表明:对于Air电池模块,2mm厚的空气间距可以阻止大多数情况下电池间热失控的传播。然而,邻近电池的温度也会上升到189℃,这种情况已经非常危险。而相同情况下,PCC电池模块中临近电池的温度低于109℃,使得危险情况大幅度削减。

第二种情况:引发电池被针刺后,平行电池发生短路。

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图4.(a)Pack 6; (b) Pack 7;(c) Pack 8,三者都是Air模块,均发生了热失控。与第一类情况平行电池未发生短路相比,平行电池发生短路会大大增加模块热失控的几率。

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图5.(a)Pack 9; (b) Pack 10. 二者都是PCC模块,均未发生热失控。与第一类情况平行电池未发生短路相比,平行电池发生短路也未引起PCC模块的热失控。表明平行电池短路与否,PCC都可控制模块不发生热失控。

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图6.(a)Pack 5; (b) Pack 10. 二者都是PCC模块。表明,无论平行电池短路与否,PCC都可非常良好的控制热失控的发生。

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图7.电池模块剖解图(a-c)Pack6,Air模块;(d-f)Pack10,PCC模块。结果更为直观地表明PCC模块电池没有发生热失控。

第二种情况结果表明:Air电池模块完全起火并变形,而PCC电池模块未出现此种情况,电池仍保持完好。PCC模块中邻近电池的温度低于120℃,在安全范围之内。PCC可自身发生相转变并及时将失效电池的热量传导走,避免热失控。因此,当平行电池也发生短路时,PCC可被证明能有效地阻止电池间热失控的传播。与Air模块相比,PPC模块能够将邻近电池温度降低60摄氏度以上。

PCC材料能有效防止热失控发生,为锂离子电池的大规模组装提供了良好的安全措施,非常有利于推动电动车行业的发展。

Stephen Wilke, BenSchweitzer, Siddique Khateeb, Said Al-Hallaj, Preventing thermal runawaypropagation in lithium ion battery packs using a phase change compositematerial: An experimental study, J. Power Sources 340 (2017) 51-59.

锂离子电池简介:

锂离子电池主要是由正极、负极、电解质和隔膜四个部分组成。

正极,放电时发生还原反应,采用较多的是过渡金属氧化物;负极,放电时发生氧化反应,采用较多的是碳材料;电解质,是一种离子导体,通常采用溶解了锂盐的有机碳酸脂溶液;隔膜,为正、负极提供电子隔离,防止正负极接触导致电池短路,通常采用多孔聚合物。

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图1.锂离子电池工作原理

锂离子电池实际上是一种锂离子浓差电池。充电时,Li+从正极脱出,经过电解液嵌入到负极,负极处于富锂状态,同时电子的补偿电荷从外电路供给到负极以确保电荷的平衡;放电时,Li+从负极脱出,经过电解液嵌入到正极,正极处于富锂状态。正负极发生短路时,会产生大量的热,首先引燃闪点较低的电解液,进而造成整个电池热失控。

 

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