最近特斯拉發(fā)生的自燃事故又讓人們對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力鋰電池的安全性產(chǎn)生了擔(dān)憂。電動(dòng)汽車一旦發(fā)生燃燒進(jìn)行失效分析尋找起火原因是極為困難的，加之很多公司對(duì)起火事故遮遮掩掩、秘而不宣，想了解到事故的起因幾乎不太可能。盡管電動(dòng)汽車的安全問(wèn)題涉及到多個(gè)方面且動(dòng)力鋰電池僅是重要零部件之一，確保和提升動(dòng)力鋰電池單體安全性的相關(guān)工作是決不能落下的，因?yàn)殡姵貑误w的安全性是根本，完全寄希望于系統(tǒng)層次防護(hù)是不現(xiàn)實(shí)的。

過(guò)充在所有安全測(cè)試中算是最為嚴(yán)酷的測(cè)試項(xiàng)之一，因?yàn)檫^(guò)充過(guò)程不僅外部向電池輸入了能量，電池內(nèi)部“波濤洶涌”的副反應(yīng)也在不斷產(chǎn)熱，最終導(dǎo)致“屈打成招”的電池?zé)崾Э貓?chǎng)面極為慘烈。盡管有BMS的防護(hù)，但在系統(tǒng)端動(dòng)力鋰電池發(fā)生過(guò)充的風(fēng)險(xiǎn)仍是存在的，因此對(duì)電池過(guò)充行為進(jìn)行細(xì)致研究也是電池安全工程師必不可少的工作內(nèi)容之一。清華大學(xué)歐陽(yáng)明高院士組是國(guó)內(nèi)較早進(jìn)行動(dòng)力鋰電池安全研究的課題組之一，并且同電池公司和車企合作很多，在電池安全研究方面碩果累累。

最近，歐陽(yáng)院士組對(duì)NCM333-LMO混合陰極軟包電池在不同條件下的過(guò)充行為進(jìn)行了比較研究，結(jié)果顯示絕熱、電池?zé)o約束狀態(tài)下充電電流倍率對(duì)電池過(guò)充結(jié)果影響不大，而是否使用夾具、過(guò)充過(guò)程氣體對(duì)外釋放和散熱確對(duì)電池過(guò)充行為有顯著影響。成果以ComparisonoftheOverchargeBehaviorsofLithium-ionBatteriesUnderDifferentTestConditions為題發(fā)表在EnergyProcedia上。

圖文淺析：

圖1.NCM333-LMO混合陰極軟包電池在三種不同約束條件下進(jìn)行過(guò)充測(cè)試示意圖。

作者使用的電池為NCM333-LMO混合陰極軟包電池，負(fù)極為常規(guī)的石墨，隔膜為PE基材帶陶瓷涂覆。電池單體容量為20Ah，測(cè)試時(shí)將兩個(gè)軟包電池2P進(jìn)行過(guò)充。過(guò)充測(cè)試重要在三種不同約束條件下進(jìn)行，具體如圖1所示：ConfigurationA，電池不帶任何夾具，即在無(wú)任何約束狀態(tài)進(jìn)行；ConfigurationB，電池帶夾具約束；ConfigurationC，電池不僅帶夾具約束，還在頂端剪了兩個(gè)口可隨時(shí)排除過(guò)充產(chǎn)生的氣體。K型感溫線一根布置在2P電池的中間，一根布置在電池的外表面。

表1.七組過(guò)充測(cè)試實(shí)驗(yàn)條件。

根據(jù)如上所述的三種不同的電池約束條件，過(guò)充測(cè)試共進(jìn)行了七組，具體如表1所示。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上同時(shí)考慮了充電倍率、電池約束條件和散熱環(huán)境的影響。過(guò)充測(cè)試過(guò)程還每隔10%SOC對(duì)電池的內(nèi)阻進(jìn)行了測(cè)量。電池?zé)崾Э貐?shù)上重點(diǎn)關(guān)注了熱失控發(fā)生時(shí)電池的SOC(記為SOCTR)及對(duì)應(yīng)的電池溫度TTR。（注：圖1已明確標(biāo)注ConfigurationA為不帶夾具約束，而表1第6組實(shí)驗(yàn)確是ConfigurationA帶夾具約束，感覺(jué)有些矛盾?。?/p>

表2.七組過(guò)充測(cè)試結(jié)果匯總比較。

一．絕熱、無(wú)約束狀態(tài)下充電倍率對(duì)過(guò)充結(jié)果的影響

圖2.電池在絕熱、無(wú)約束狀態(tài)下過(guò)充充電倍率對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

如圖2所示，在不同電流倍率(1/3C、1/2C和1C)過(guò)充條件下，在140%SOC之前電池的電壓、內(nèi)阻和溫度差異都很小且有著幾乎相同的變化趨勢(shì)。唯一的差別在于1C電流較大導(dǎo)致檢測(cè)到的電壓值略高，電池的失效SOC略有提前，電池溫度速率相對(duì)較高。值得一提的是，不同電流倍率下電池發(fā)生熱失控時(shí)電池溫度都在約113℃附近，由此表明充電倍率對(duì)過(guò)充結(jié)果影響較小。（注：要注意的是以上結(jié)果是在電池處于絕熱、無(wú)約束狀態(tài)下得到的，其他測(cè)試條件下是否適用有待驗(yàn)證。）

二．絕熱狀態(tài)下不同約束條件對(duì)過(guò)充結(jié)果的影響

圖3.電池在絕熱狀態(tài)下三種不同約束條件對(duì)過(guò)充結(jié)果的影響。

如圖3所示，在絕熱狀態(tài)下過(guò)充，無(wú)約束(ConfigurationA)電池最早發(fā)生熱失控(167%SOC、113.1℃)，電池帶夾具約束(ConfigurationB)的其次(170.5%SOC、115.8℃)，電池帶夾具約束且有剪口放氣(ConfigurationC)的最后發(fā)生熱失控(173.8%SOC、140.9℃)。以上結(jié)果表明夾具約束和及時(shí)釋放過(guò)充過(guò)程產(chǎn)生的氣體可以一定程度延緩電池發(fā)生熱失控。（注：國(guó)標(biāo)測(cè)試中并未明確規(guī)定測(cè)試時(shí)電池的約束狀態(tài)，因此很多公司也都帶夾具約束進(jìn)行測(cè)試）。過(guò)充過(guò)程電池內(nèi)部由于副反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量的可燃?xì)怏w導(dǎo)致電池內(nèi)部壓力增大，在無(wú)約束狀態(tài)下電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)容易發(fā)生變形導(dǎo)致內(nèi)短路，因此夾具約束能一定程度延緩電池發(fā)生熱失控。

三．散熱條件過(guò)充結(jié)果的影響

圖4.散熱條件過(guò)充結(jié)果的影響。

如圖4所示，僅分析帶夾具約束且有剪口放氣(ConfigurationC)電池，可以明顯觀察到該電池非絕熱條件下過(guò)充熱失控(185.4%SOC，141.5℃)晚于絕熱條件下的熱失控(173.8%SOC，140.9℃)，由此表明過(guò)充過(guò)程若能及時(shí)釋放積累的熱量有利于延緩電池發(fā)生熱失控。

小結(jié)：以上部分結(jié)論動(dòng)力鋰電池公司之前從大量實(shí)驗(yàn)中已有掌握，但該研究的可貴之處在于做的較為系統(tǒng)，公司中較少有人做如此系統(tǒng)的研究。略顯遺憾的該論文研究做的還不夠深入，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)也未考慮所有不同條件且略有瑕疵，但瑕不掩瑜，good！