Note7爆炸敲响警钟,锂电池热失控分析和预测

锂粉制备技术

在刚刚过去的9月份,我们纷纷被一款手机刷屏了,当然不是iPhone7,而是另外一款三星手机——Note7。Note7并不是因为其强劲的性能吸引了我们的眼球,而是因为其在国内外多起电池起火爆炸事件,也因为三星区别对待国内和国外用户的态度,目前三星已经停止了在全球范围内Note7的生产和销售,开启了召回工作。

对于一款电子设备再强劲的性能也无法遮掩其安全性方面存在的问题,今天我们就来一起研究一下锂离子电池热失控的原因和机理。

对于锂离子电池,热失控是最严重的安全事故,它会引起锂离子电池起火甚至爆炸,直接威胁用户的安全。锂离子电池发生热失控主要是由于内部产热远高于散热速率,在锂离子电池的内部积攒了大量的热量,从而引起了连锁反应,导致电池起火和爆炸。

引发热失控的因素很多,总的来说分为两类,内部因素和外部因素。内部因素主要是:电池生产缺陷导致内短路;电池使用不当,导致内部产生锂枝晶引发正负极短路。外部因素主要是:挤压和针刺等外部因素导致锂离子电池发生短路;电池外部短路造成电池内部热量累积过快;外部温度过高导致SEI膜和正极材料等发生分解。

Note7爆炸敲响警钟,锂电池热失控分析和预测

美国德克萨斯大学阿灵顿分校的Krishna Shah对锂离子电池热失控现象进行了分析,并建立了一套锂离子电池热失控的预测机制,对于锂离子电池的安全设计具有重要的参考意义。相关研究显示,锂离子电池热失控过程主要由一下反应组成:SEI膜分解,电解液和粘结剂发生反应,电解液和正极活性物质发生分解。

影响锂离子电池热失控的因素可以分为两个,一个是电池内部的产热速率,另外一个是锂离子电池的散热速率。传统的热分析工具,一般假设锂离子电池的产热在整个体积内是均匀的,因此这些工具分析认为热失控与电池的热导率无关,这与锂离子电池在实际中的情况是不同的,因此预测结果也是不准确的。研究显示,即使在26650电池内部也存在这很大的热梯度,因此传统的方法和工具无法来准确预测电池内部和外部的热状态。

为了解决上述问题,Krishna Shah在传统的锂电热分析模型上加入了热导率参数,从而产生了一个无量纲参数——热失控数(TRN)。首先Krishna Shah建立了一个电池温度与产热和散热的之间的等式关系,如下所示

Note7爆炸敲响警钟,锂电池热失控分析和预测

对公式之中的产热函数Q(T)在温度为T0处进行泰勒展开,忽略高阶项可得到如下公式

Note7爆炸敲响警钟,锂电池热失控分析和预测

然后该公式需要经过复杂的数学求解过程,小编实在看不懂就不给大家介绍了,让我们直接看结果吧。最后推导获得如下结果

Note7爆炸敲响警钟,锂电池热失控分析和预测

Note7爆炸敲响警钟,锂电池热失控分析和预测

在整个操作范围内,都必须满足上述公式才能保证不发生热失控。该公式结合了电池内部热传递kr,电池表面散热μ1,电池产热速率参数β以及电池半径等参数。而电池的产热速率参数β和电池散热以及热导率系数是控制锂离子电池热失控的关键参数,通过增大β值,TRN值也响应增大,当TRN>1时,电池就会发生热失控,而TRN<1是电池则不会发生热失控,需要注意的是,β并不是一个固定的值,而是随着温度的升高而不断增大,因此TRN也会随之增大。

电池的散热主要由两步构成,电池内部的热传导和电池外部的热对流,因此在β一定的前提下,就需要调整电池的热导率kr和表面散热参数μ1来保证TRN<1,从而保证电池的安全性。例如当β=6000 W/m3K,kr和μ1的安全范围如上图所示。

通过Krishna Shah的工作,在电池的安全设计中我们可以利用TRN公式来计算锂离子电池的热安全系数,β值和kr值可以通过相应的实验就行测量,根据不同材料的β值和kr值,可以对电池的R值和表面散热μ1进行调整,保证TRN<1,确保锂离子电池的安全性。

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