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锂电池失控起火爆炸是什么原因造成的

时间:2022-06-29 编辑:亚博手机版 游览:129次

  通常人们认为锂电池的热失控是在滥用条件下内部短路造成的,或者至少热失控过程会伴随着隔膜收缩等问题造成的内部短路。而最近高院士Joule的一篇文章首次报道了电池在没有内部短路的情况下仍然会有严重的放热。这是正负极化学交叉造成的:三元正极在充电过程中发生相变,放出氧气,高氧化性气体与高还原性锂负极反应,使电池剧烈放热,产生热失控。

  欧阳院士团队特别选用热稳定性优异的聚酰亚胺(PET)/无纺布膜,消除电池内短路的影响。他们用电动车加速量热仪测试了25Ah  NCM523/石墨全电池的热效应。结果表明,发生热失控时整个电池的温度明显低于隔膜的熔化温度,说明电池的热失控发生在电池短路之前。随后,他们通过TG-DSC、高温XRD和质谱分析检查了电池的成分,以确认其发热机制和失控行为。在充电过程中,NCM523的单个正极会发生从层状到尖晶石的相变,产生少量的热量,最高可达276。而将正负极材料放在一起测试,这个过程中对应的发热量增加了7倍,直接导致了电池的热失控。正负电极交叉产生的强热效应为开发高比能量全固态锂电池提供了理论指导。

  随着锂电池应用场景的拓展,低温充电、快充甚至过充的情况会时有发生。低温、高倍率和过充往往会导致负极金属锂涂层析出。那么,在这些条件下,负锂析出对锂电池的热失控行为有什么影响呢?针对上述问题,近期,高院士团队利用传统的ARC和DSC技术结合NMR研究了不同充电速率下锂电池的热失控行为及相应机理。起初,他们测试了0.33C/0.15C/0.3C三种倍率下的热失控温度,电池在3C高充电倍率下的热失控温度T2降至103.5(0.33 c对应的T2为215.5)。根据整个电池的电压与温度的关系,他们发现热失控的温度发生在隔膜收缩熔化之前,因此这一过程中的热失控机理与电池中的短路关系不大。研究人员通过结合7Li-NMR光谱和SEM,证实了负极表面存在锂金属涂层。负极粉末与(含锂金属涂层)电解液混合物的DSC曲线在146.7出现新的高强度放热峰,证明快速充电下热失控的提前是由金属锂与电解液反应引起的。高活性锂金属涂层与电解液在高温下产生的反应热甚至超过了原有负极材料与电解液产生的反应热,显著降低了电池的整体安全性。本研究从电池安全的角度出发,对学术界和工业界所追求的电池快充技术进行了系统的评价。结果表明,快速充电引起的锂析出反应会显著降低电池的整体安全性,使热失控提前发生。

  电池老化是锂电池商业化不可避免的问题。然而,电池老化方法对锂电池安全性的影响尚不清楚,这对于保持电池在整个生命周期中的稳定性是不利的。近日,高院士团队对比了高温储存老化和低温循环老化的锂电池热安全性。结果表明,高温蓄电池比低温循环电池具有更高的热稳定性,其热失控温度滞后。在高温储存过程中,负极材料表面会形成致密稳定的SEI膜,阻断高还原性负极与电解液或高氧化性正极的接触,从而提高电池的安全性。对于低温循环电池,低温引起的动力学滞后增加了电化学极化,进一步导致金属锂在负极表面析出。活性锂金属与电解液直接接触,使T1(自放热温度)和T2(热失控起始温度)降低,电池热失控比新电池早发生。该研究成果从安全性角度为商用锂电池老化方式的选择提供了新的指导,对延长锂电池寿命、提高电池安全性具有重要意义。

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