最近特斯拉發(fā)生的自燃事故又讓人們對電動車動力電池的安全性產(chǎn)生了擔(dān)憂。電動車一旦發(fā)生燃燒進(jìn)行失效分析尋找起火原因是極為困難的，加之很多企業(yè)對起火事故遮遮掩掩、秘而不宣，想了解到事故的起因幾乎不太可能。盡管電動車的安全問題涉及到多個方面且動力電池僅是重要零部件之一，確保和提升動力電池單體安全性的相關(guān)工作是決不能落下的，因為電池單體的安全性是根本，完全寄希望于系統(tǒng)層次防護(hù)是不現(xiàn)實的。
過充在所有安全測試中算是最為嚴(yán)酷的測試項之一，因為過充過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貓雒鏄O為慘烈。盡管有BMS的防護(hù)，但在系統(tǒng)端動力電池發(fā)生過充的風(fēng)險仍是存在的，因此對電池過充行為進(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)歐陽明高院士組是國內(nèi)較早進(jìn)行動力電池安全研究的課題組之一，并且同電池企業(yè)和車企合作很多，在電池安全研究方面碩果累累。
最近，歐陽院士組對NCM333-LMO混合陰極軟包電池在不同條件下的過充行為進(jìn)行了對比研究，結(jié)果顯示絕熱、電池?zé)o約束狀態(tài)下充電電流倍率對電池過充結(jié)果影響不大，而是否使用夾具、過充過程氣體對外釋放和散熱確對電池過充行為有顯著影響。成果以Comparison of the Overcharge Behaviors of Lithium-ion Batteries Under DiFFerent Test Conditions為題發(fā)表在Energy Procedia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)行過充測試示意圖。
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20 Ah，測試時將兩個軟包電池2P進(jìn)行過充。過充測試主要在三種不同約束條件下進(jìn)行，具體如圖1所示：Configuration A，電池不帶任何夾具，即在無任何約束狀態(tài)進(jìn)行；Configuration B，電池帶夾具約束；Configuration C，電池不僅帶夾具約束，還在頂端剪了兩個口可隨時排除過充產(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. 七組過充測試實驗條件。
根據(jù)如上所述的三種不同的電池約束條件，過充測試共進(jìn)行了七組，具體如表1所示。實驗設(shè)計上同時考慮了充電倍率、電池約束條件和散熱環(huán)境的影響。過充測試過程還每隔10%SOC對電池的內(nèi)阻進(jìn)行了測量。電池?zé)崾Э貐?shù)上重點關(guān)注了熱失控發(fā)生時電池的SOC (記為SOCTR)及對應(yīng)的電池溫度TTR。（注：圖1已明確標(biāo)注Configuration A為不帶夾具約束，而表1第6組實驗確是Configuration A帶夾具約束，感覺有些矛盾?。?/span>
表2.七組過充測試結(jié)果匯總對比。
一．絕熱、無約束狀態(tài)下充電倍率對過充結(jié)果的影響
圖2. 電池在絕熱、無約束狀態(tài)下過充充電倍率對測試結(jié)果的影響。
如圖2所示，在不同電流倍率(1/3 C、1/2 C和1 C)過充條件下，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。唯一的區(qū)別在于1 C電流較大導(dǎo)致檢測到的電壓值略高，電池的失效SOC略有提前，電池溫度速率相對較高。值得一提的是，不同電流倍率下電池發(fā)生熱失控時電池溫度都在約113 ℃附近，由此表明充電倍率對過充結(jié)果影響較小。（注：需要注意的是以上結(jié)果是在電池處于絕熱、無約束狀態(tài)下得到的，其他測試條件下是否適用有待驗證。）
二．絕熱狀態(tài)下不同約束條件對過充結(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過充結(jié)果的影響。
如圖3所示，在絕熱狀態(tài)下過充，無約束(Configuration A)電池最早發(fā)生熱失控(167%SOC、113.1 ℃)，電池帶夾具約束(Configuration B)的其次(170.5%SOC、115.8 ℃)，電池帶夾具約束且有剪口放氣(Configuration C)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釋放過充過程產(chǎn)生的氣體可以一定程度延緩電池發(fā)生熱失控。（注：國標(biāo)測試中并未明確規(guī)定測試時電池的約束狀態(tài)，因此很多企業(yè)也都帶夾具約束進(jìn)行測試）。過充過程電池內(nèi)部由于副反應(yīng)會產(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。
二．散熱條件過充結(jié)果的影響
圖4. 散熱條件過充結(jié)果的影響
如圖4所示，僅分析帶夾具約束且有剪口放氣(Configuration C)電池，可以明顯觀察到該電池非絕熱條件下過充熱失控(185.4%SOC，141.5 ℃)晚于絕熱條件下的熱失控(173.8%SOC，140.9 ℃)，由此表明過充過程若能及時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)論動力電池企業(yè)之前從大量實驗中已有掌握，但該研究的可貴之處在于做的較為系統(tǒng)，企業(yè)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，實驗設(shè)計也未考慮所有不同條件且略有瑕疵，但瑕不掩瑜，good！
Dongsheng Ren, XuningFeng, Languang Lu, JianqiuLi, Minggao Ouyang. Comparison of the Overcharge Behaviors of Lithium-ion Batteries Under Different Test Conditions. Energy Procedia 158 (2019) 4921–4926.
