鉅大LARGE | 點擊量：1510次 | 2021年07月28日
歐陽明高團隊研究：高速攝像機觀察方形動力鋰離子電池 熱失控噴射過程
方形動力鋰離子電池一般有fuse(熔斷絲)、(OverchargeSafetyDevice，過充保護裝置)和vent(防爆閥)三大安全設計要素。fuse會在電池短路時斷開起到保護用途。OSD和vent都是受電池內部壓力驅動，過充狀態(tài)下電池內部大量產(chǎn)氣導致OSD啟動造成電池正負極短路、fuse熔斷，當電池內部壓力進一步增大時vent爆開釋放壓力防止電池發(fā)生爆炸。
電池在內短路和過充、加熱等濫用條件下存在熱失控風險。有關方形動力鋰離子電池，除了爆炸等極端案例，熱失控最常見的現(xiàn)象是vent爆開、大量煙霧和火焰從vent噴出。由于vent爆開時電池內部壓力已經(jīng)很大(一般大于0.8MPa)，電池熱失控過程極為迅猛，通過一般的視頻記錄已經(jīng)無法了解其具體過程。最近，來自清華大學歐陽明高團隊的王賀武德等人利用最大拍攝頻率為10幀/秒的高速攝像機深入研究了NCM622電池在中等SOC下熱失控vent爆開、內容物噴發(fā)過程，進一步加深了對電池熱失控的認識。成果以“鋰離子動力鋰離子電池中等荷電狀態(tài)下熱失控產(chǎn)物噴射過程研究”為題發(fā)表在最近的《儲能科學與技術》上。
圖文淺析：
試驗所用的方形動力鋰離子電池信息詳盡如表1所示。電池為NCM622/石墨體系，標稱容量50Ah，標稱電壓3.65V，重量900g，電池工作電壓區(qū)間為2.75-4.25V。電池殼體材料為鋁合金，vent為鍵槽型，長度22.4mm，寬度12.4mm，vent啟動壓力約為0.5MPa。
圖1.試驗裝置示意圖。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
如圖1所示，為了研究了電池熱失控噴射過程，作者設計了一套耐高壓的密閉試驗裝置。高壓密閉容器的容積為230L，能承受的最大壓力為2MPa。電池放置在絕緣板上，功率為5kW的電加熱器同絕緣加熱板有一定距離，電加熱器通過加熱空氣以實現(xiàn)對電池的加熱最終觸發(fā)熱失控。高速攝像機在輔助光源幫助下對電池熱失控噴射過程進行拍攝，攝像機最大拍攝幀率為10萬幀/秒。容器內含溫度傳感器和壓力傳感器，其中溫度傳感器T1和T2監(jiān)測電池熱失控射流區(qū)溫度，T3監(jiān)測環(huán)境溫度，T4和T5監(jiān)測電池本體溫度，P1用于監(jiān)測容器內部壓力。為了防止電池熱失控可能造成的儀器損壞和噴射物燃燒、爆炸問題，試驗時電池處在50%SOC，同時容器內為N2氣氛。容器內初始壓力為0.02MPa，稍高于環(huán)境大氣壓力。
圖2.噴發(fā)流外形輪廓演變過程。
圖2上圖為噴發(fā)流在不同時刻的灰度圖像，下圖為經(jīng)過濾波等解決后的輪廓圖像?？梢钥吹阶铋_始噴發(fā)流從vent兩側流出時外輪廓為帶狀(圖2a和圖2f)，隨后在vent上方形成上小下大的錐形外輪廓(圖2b和圖2g)。隨著時間的推移，噴發(fā)流外輪廓變成無定型(圖2c和圖2h)，隨后又變成上大下小的倒錐形(圖2d和圖2i)，最后慢慢消失(圖2e和圖2f)。圖2展示的初始0.4s內噴發(fā)流的演化過程，從外輪廓的變化可以看到噴發(fā)流的波動，聲明噴發(fā)過程并不穩(wěn)定。
圖3.噴發(fā)流相態(tài)的變化。
圖3給出了噴發(fā)流灰度圖像的變化過程，灰度值的變化反映了流體性質包括相態(tài)的改變。在第一次噴射過程中，射流段灰度值總體上呈現(xiàn)出先減小后新增再減小的趨勢。隨著電池溫度升高，電池內部壓力在電解液蒸氣與內部產(chǎn)氣的共同用途下逐漸達到vent開啟壓力。此時，受制于電解液飽和蒸氣壓的限制，電池內部電解液緊要存在形式為液態(tài)。在射流初期，由于內部壓力極高，高速氣流萌生的剪切力攜帶液態(tài)電解液噴發(fā)而出并霧化，灰度值偏亮，而且此時較大的剪切力有可能拋射出固體顆粒（圖3a）；隨著電池內部壓力降低，大量電解液以液態(tài)的形式噴發(fā)而出，并攜帶電池內部黑色絮狀物，灰度值偏暗（圖3b）；該電池電解液中緊要成分碳酸甲乙酯和碳酸二乙酯在常壓下沸點分別為107℃和126℃，在vent開啟后，電池由密閉系統(tǒng)轉變?yōu)殚_口系統(tǒng)，此時電池溫度遠高于電解液沸點，因此在電解液噴發(fā)的過程中內部電解液迅速蒸發(fā)，形成新一輪的噴發(fā)，此時為霧狀噴發(fā)產(chǎn)物的噴出，灰度值偏亮，夾帶著破裂的固態(tài)隔膜（圖3c）；當電解液消耗殆盡時，第一次噴射過程衰減，隨著電池內部產(chǎn)氣反應維持射流狀態(tài)，此時可以觀察到氣體、液體混合噴發(fā)的特點，灰度值接近背景的灰度值（圖3d）。由此可見，整個第一次噴射過程中射流出現(xiàn)了氣、液、固三種相態(tài)，因此鋰離子電池熱失控產(chǎn)物噴發(fā)是一種復雜的多相的瞬態(tài)射流。
圖4.vent啟動過程。
vent是方形電池中的緊要安全結構件，了解其微觀啟動過程可以更好地對其進行設計。在電池內部不斷升高的壓力用途下，vent先在一側打開，另外一側與電池還保持連接狀態(tài)。從vent剛剛打開（圖4a）到vent大部分打開（圖4d），歷經(jīng)了0.4ms的時間。在此過程中，傾覆在電池安全釋放閥上方的透亮防塵保護塑料薄膜已有變形，這是由于來自電池傳熱、熱氣流的加熱用途。在初期噴發(fā)流的壓力用途下，保護膜中心位置變形顯著，呈現(xiàn)球型凸起，隨著壓力的升高和變形的加劇，保護膜完全脫離電池安全釋放閥表面，并在氣流的用途下與電池本體剝離（圖4d）。
小結：利用高速攝像機觀察電池熱失控過程是很好的研究，相信后續(xù)可以得到更多的有益結果。不過依據(jù)以往的加熱觸發(fā)電池熱失控的相關經(jīng)驗來看，該研究所采用的加熱方式所耗費的時間應當非常長。此外，在壓力容器中探測還可以得到電池熱失控產(chǎn)氣速率、產(chǎn)氣量等信息，對后續(xù)系統(tǒng)設計有幫助。最后還有個很有意思的問題：電池熱失控時噴發(fā)流的噴出速度到底是多少呢？高度會達到多少？
