热失控和危害气体,动力电池的安全测试图文解读

129Lab

动力电池的安全性是新能源汽车发展中备受关注的热点,图1是TUV的关于动力电池安全方面测试项目,大致分为安全测试(Safety Testing)和滥用测试(Abuse Testing)。其中挤压(crush)测试和针刺(nail penetration)测试属于滥用测试。这两项测试对电池的破坏性很大。挤压是直接对电池施加外部机械力,迫使电池发生形变,从而造成电池内部各部分的机械变形,产生外部\内部结构组织破坏(例如隔膜断裂、刺穿),产生内部短路,促发可能的热失控。针刺是外部金属异物直接刺入电池内部,刺穿电池内部组分,同样造成内部短路,促发可能的热失控。这里通过一些例子来看一下这两个测试。

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图1 电池安全和滥用测试项目

先看一下LFP/C电池的测试。LFP材料的热稳定性相对较高,在滥用测试中有助于抑制或延缓热时空的发生。这里是ELIIY Power的50Ah(106Wh/kg)电池的一个案例,由TUV做的针刺测试。针刺刺入的位置在电池表面的中心。从钢针刺入的整个过程来看,该电池没有观察到任何异常现象,显示出较高的安全性(图2a-2c)。

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图2 LFP 50Ah电池的针刺测试

关于针刺试验,EC Power利用仿真技术研究了钢针的粗细对NCM电池(5Ah,120Wh/kg)针刺测试结果的影响。有一组数据可供参考:20mm的钢针,针刺位置温度达到150摄氏度需要150秒;10mm钢针,针刺位置温度达到150摄氏度需要75秒;5mm钢针,针刺位置温度达到150摄氏度仅仅需要2秒(图3)。说明采用较细的钢针,在针刺位置的局部温升相对更快,更加容易造成电池热失控。

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图3 钢针粗细对针刺结果的影响

图4同样是EIILY Power的50Ah LFP电池的挤压测试,挤压位置也在电池中间位置。从挤压头挤压到电池厚度一半左右的位置,电池没有观察到任何异常现象(图4a,4b)。继续挤压时,可以看到电池内部电解液喷射出来(图4c);继续挤压时,开始出现少量白烟(图4d);挤压到图4e位置时,观察到电池壳体开始发生破裂;图4f是100%挤压变形了,电池壳体已经被挤压破裂成两半,并且可以观察到在右边半块电池表面的塑料包装膜开始受热收缩,说明此时电池内部温升较快。尽管如此,在整个挤压过程中,电池没有出现着火、爆炸现象,显示出较好的安全特性。

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图4 LFP 50Ah电池的挤压测试

图5是一个单体电池的挤压测试的失败案例。从挤压头开始挤压电池,电池就有少量白烟从顶部冒出(图5b),接着就开始喷射出大量白烟(图5c),紧接着在第六秒钟就喷射中大量火星和火焰,电池完全着火爆炸,数秒钟之内,着火爆炸产生的气体、烟雾、飞溅出来的残留物就弥漫到整个测试房间内。

热失控和危害气体,动力电池的安全测试图文解读

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图5 挤压测试失败案例

我们看一下锂离子电池在热失控后从电池内部都释放出哪些气体。当然,由于每种电池的组成、结果、化学状态都存在差异,释放出来的气体各有差异。通常,这些气体都是可燃的,当热失控造成电池内部温度快速上升到一定程度,就有可能触发燃烧。这里以一个40Ah NCM/C软包电池为例说明,它的电解液为LiPF6/EMC/DEC/EC。在充满电的情况下,通过针刺出发热失控,从而采集分析释放的气体成分。分析结果显示,释放出来的气体成分主要包括:

· EMC:碳酸甲酯乙基酯

· DEC:碳酸二乙酯

· EC:碳酸乙烯酯

· Benzene:苯

· Toluene:甲苯

· Styrene:苯乙烯

· Biphenyl:联苯

· Acrolein:丙烯醛

· CO:一氧化碳

· COS:硫化碳酰

· Hydrogen fluoride:这是氟化氢

上述这些物质中,有些是气体,有些是挥发的液体。前三种物质是电解液本身挥发出来的,后面几种物质都是在热失控过程中形成的新物质。上面所有物质都已具有一定毒性的,在一定温度下都是可燃的。

下面再看一个传统消费类电池,电池材料为LiCoO2/C,2.1Ah软包电池,能量为7.7Wh。触发热失控后通过设备采集气体进行分析,得到表1结果。这里的气体成分包括:

·一氧化碳、二氧化碳、氢气

·甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷、丁烷、异戊烷、异戊烷、己烷、乙烯、丙烯、苯、甲苯、苯乙烷

其中,在100%SOC和150%SOC下,体积含量最多的是一氧化碳、二氧化碳和氢气。主要成分是一氧化碳、二氧化碳和氢气,其余是烷烃、烯烃、苯等有机物,这些也可使可燃气体。

表1 气体成分

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同时测量释放出来的气体的含量(表2),从50%SOC到100%SOC,热失控后释放出来的气体含量增加了3倍多。在150%SOC,释放的气体含量达到了50%SOC下的7.5倍,一个小小的电池竟然可以释放出这么多的气体。

表2 气体含量

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动力电池产品关乎用户的生命安全,其安全设计和要求在整个电池系统设计中处于最高优先级。这需要选择合适的电池材料、优化单体电池设计、强化模组和系统的电气安全设计、应用FMEA工具综合考虑/分析各种安全失效模式和应对措施,从而设计出高性能、高安全的动力电池产品。

参考

The AutoLion Battery Safety Challenge. 2014 EV Tech Expo and Battery show.

ELIIY Power エリーパワー株式会社

Batteries 2016, 2, 5

Thermal Runaway and Safety of Large Lithium-Ion Battery Systems

作者:129Lab

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