9系三元鋰電池熱失控特性研究

來源：杭州仰儀科技有限公司 2023年03月31日 14:50

前言

鎳鈷錳或鎳鈷鋁三元鋰離子電池具有能量密度高、低溫及循環(huán)性能好等優(yōu)勢^[1]，被廣泛應用于新能源汽車等領域。與此同時，三元鋰電池也存在著熱穩(wěn)定性較差的缺點，三元正極材料在250-300℃的高溫下會發(fā)生劇烈的分解反應，同時釋放氧分子，誘發(fā)電解液燃燒和電池爆燃。

為滿足新能源汽車日益增長的續(xù)航里程需求，部分電池廠商致力于不斷提高電池的能量密度，因此三元鋰電池從低鎳3系電池不斷發(fā)展到高鎳8系以及超高鎳9系電池。理論上伴隨著活性金屬成分的不斷提升，正極材料和電池的熱穩(wěn)定性下降，熱失控風險隨之上升。

由于超高鎳9系電池尚未實現(xiàn)規(guī)模化應用，行業(yè)內相對缺乏該類型電池的熱安全特征信息。本文利用電池絕熱量熱儀測試了9系三元鋰電池的熱失控過程，證明9系鋰電池的熱失控劇烈程度遠超其他類型的三元電池。

實驗部分

1. 樣品準備

電池樣品: NCM9系三元軟包鋰電池(5Ah)

2. 實驗條件

實驗儀器：仰儀科技BAC-420A大型電池絕熱量熱儀、電池充放電設備、TP700多通道測溫儀；

實驗模式：HWS-R模式、溫差基線模式；

記錄頻率：1~100Hz；

自放熱檢測閾值：0.02℃/min；

熱電偶固定位置：電池大面中心點（樣品熱電偶）、電池正極（附加熱電偶）

實驗結果

圖1 9系三元鋰電池熱失控(a)溫升及電壓曲線及(b)溫升速率-溫度曲線

表1 9系三元鋰電池熱失控特征參數(shù)表*

*上述參數(shù)均以樣品熱電偶貼合處溫度進行計算；
**Tonset判斷條件為dT/dt =0.02C/min；

***TTR判斷條件為dT/dt =60°C/min。

根據(jù)測試數(shù)據(jù)，9系三元鋰電池自放熱起始溫度Tonset為86.78度，熱失控起始溫度TTR為202.76度，電池電壓的驟降點與TTR溫度基本一致。電池到達TTR之后具有JI高的溫升速率，2s內電池表面溫度達到熱失控最高溫度1109℃，最大升溫速率約為48900℃/min。與9系鋰電池相比，如圖2所示，6系電池從TTR到達Tmax需要70s，最大升溫速率約為6500℃/min；8系電池需要5s，最大升溫速率約為20600℃/min，說明隨著鎳含量的上升，電池熱失控劇烈程度不斷提高。

圖2 (a)6系三元溫升速率-溫度及(b)8系三元溫升速率-溫度曲線

圖3 樣品鋰電池(a)熱失控視頻及(b)實驗后腔體照片

另外，從視頻及圖片中發(fā)現(xiàn)，9系鋰電池在熱失控瞬間發(fā)生了猛烈的火焰噴射現(xiàn)象，并且量熱腔壁面殘留大量電池材料噴射物，也說明該電池發(fā)生了劇烈的熱失控。

結論

本次實驗利用BAC-420A大型電池絕熱量熱儀測量了9系三元鋰電池的熱失控特征參數(shù)。相關實驗數(shù)據(jù)有助于對該類電池進行改良，提升其安全性。

參考文獻：

[1]張萌啟.三元鋰電池過充熱失控特性與探測方法研究[D].導師：杜建華.華僑大學,2020.

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