鉅大LARGE | 點擊量:1886次 | 2020年03月04日
穿刺實驗到底能不能評估鋰離子電池的風(fēng)險程度?如何優(yōu)化?
隨著鋰離子電池在電動汽車等領(lǐng)域的廣泛使用,其安全問題也越來越受到人們的重視,通過對濫用條件下的安全預(yù)測來確定電池故障風(fēng)險的技術(shù)越來越受到人們的重視。電池內(nèi)部短路則是一類非常危險的情況,通常采用穿釘實驗?zāi)M內(nèi)部短路,這種方法簡單,風(fēng)險程度低,但是實驗結(jié)果難以重現(xiàn)和預(yù)測。更為重要的是,許多測試標準都尚未明確含義穿刺實驗,這使得其對預(yù)測安全風(fēng)險的作用極其有限!正因為如此,之前也聽說過測試標準要取消這一實驗,但能不能改良后實現(xiàn)有效評估,保留這一測試呢?
假如可以準確重現(xiàn)電池穿透現(xiàn)象,定量評估危險程度,則穿刺試驗可能就是一種十分有效的風(fēng)險評估方法。目前已有多種實驗來解釋理解釘刺期間發(fā)生的現(xiàn)象。但穿刺過程中溫度升高,會導(dǎo)致材料的降解,產(chǎn)生有毒易燃的氣體,現(xiàn)象十分復(fù)雜,現(xiàn)場測量分析困難,最重要的是難以用實驗方法掌握全部現(xiàn)象。以前提出的X射線CT熱失控期間高速斷層掃描可以直接觀察到熱濫用試驗中的熱降解,但是這種方法并沒有實現(xiàn)定量評估。另外,數(shù)值方法是定量評估的有效方法,利用1D或2D的建??梢越档统杀?,但也會導(dǎo)致計算精度的降低,而3D模型結(jié)果準確,但是計算復(fù)雜,同時沒考慮到釘子穿刺速度的影響,仍難以實際操作。
針對以上種種問題,日本神鋼研究所的TakumiYamanaka教授基于有限元法(FEM)對數(shù)值模擬進行了改進,可以詳細模擬釘子穿透鋰離子電池的現(xiàn)象。為了減少計算規(guī)模,該團隊還開發(fā)了一種新的電化學(xué)-熱耦合模型,即“三元模型”,它可以將三維熱行為的特征現(xiàn)象考慮在內(nèi)。此外,還含義了“燃燒量”這一定量指標來評估危險程度。使用這些模型和參數(shù),可以定量評估測試條件(包括電池狀態(tài))和電池內(nèi)短路危險程度之間的關(guān)系。
圖1.“三重模型”的示意圖,其中三種現(xiàn)象由一維,二維和三維模型建模。
圖2.(a)實驗裝置的示意圖,以及在穿透后(b)1.00秒和(c)1.35秒的釘刺試驗期間的狀態(tài)。
在“三重模型”中,通過一維建模模擬電化學(xué)現(xiàn)象,通過2D建模模擬集電器中導(dǎo)電以及通過3D建模模擬熱現(xiàn)象和熱分解反應(yīng),最后將這些模型彼此適當?shù)伛詈?,得到計算結(jié)果。
首先進行實驗結(jié)果與計算結(jié)果的比較,以驗證計算的可行性。在實驗過程中,當釘子穿透電池時,氣體直接從釘子周圍的孔中發(fā)出。隨后氣體產(chǎn)生使電池發(fā)生膨脹。最后,電池被點燃,實驗終止。
圖3.實驗結(jié)果與(a)放電曲線,(b)電池表面溫度和(c)燃燒體積的時間歷程計算結(jié)果的比較
在階段I(t<0.6s)中,當釘子穿透時,電壓從開路電壓下降。
在階段II(0.6s<t<1.5s)中,電壓逐漸降低。但是在實驗中電壓是暫時恢復(fù)然后再次降低,這種差異可能是由于釘子和電極之間的接觸電阻變化引起的,而在計算中該參數(shù)被設(shè)定為恒定值,所以導(dǎo)致了II和III階段的電壓實驗結(jié)果的差別。計算結(jié)果比較精確地再現(xiàn)了實驗現(xiàn)象。同時計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)該實驗過程不僅與電壓有關(guān),還與電池表面溫度有關(guān)。表面溫度的前兩階段試驗結(jié)果與計算結(jié)果相當吻合。
在階段III中,由于電池膨脹導(dǎo)致熱電偶不能準確探測到電極溫度,從而產(chǎn)生了差異。因此基本上可以認為計算結(jié)果與實驗結(jié)果相一致。此外,還證實了計算中燃燒體積的轉(zhuǎn)變類似于氣體排放的趨勢。這表明燃燒體積與氣體排放程度相關(guān),而氣體排放則與熱分解反應(yīng)有關(guān),因此可以通過燃燒體積來預(yù)測反應(yīng)的程度。
圖4.(a)在標準條件下使用的計算網(wǎng)格的示意圖,以及(b)在改變釘子穿透位置時的位置的含義。
圖5.比較(a)釘穿透速度和(b)釘穿透位置相關(guān)于電極最高溫度的時間歷程,以及(c)釘穿透速度和(d)釘穿透位置相關(guān)于相對燃燒體積的比較。
最后作者通過參數(shù)變化研究影響了燃燒風(fēng)險的因素。所選擇的參數(shù)是:(1)釘穿透速度和(2)電極上的釘穿透位置。為了便于理解燃燒體積的大小,通過將燃燒體積除以電極片的總體積來計算相對燃燒體積(RCV)。計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著穿透速度的降低,燃燒的風(fēng)險趨于新增。這是因為降低穿透速度延長了產(chǎn)生大的環(huán)繞電流的時間。特別是當穿透速度為0.1mm/s時,RCV高出100倍,并且超過300℃持續(xù)燃燒的總時間更長??偟膩碚f,結(jié)果分析認為釘子穿透速度的快慢與釘子的穿透位置相比,穿透速度與燃燒風(fēng)險具有更強的相關(guān)性。
計算結(jié)果表明釘子穿透速度越慢,發(fā)生燃燒風(fēng)險程度越高,這一點對電池實際應(yīng)用中的防護方法的改善具有現(xiàn)實意義。這種三元模型可以準確的再現(xiàn)釘子穿透試驗的結(jié)果,同時普遍性驗證還未進行,因此進一步的工作應(yīng)該是解決普遍性問題。同時盡快提出相應(yīng)的實際可行的測試標準也是重中之重,只有標準的統(tǒng)一才有可能使釘子穿透試驗成為可信賴,可預(yù)測風(fēng)險等級的試驗方法。