高温环境下18650型锂离子电池热失控过程的实验研究

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电池的安全性问题归根结底体现的是温度问题。随着锂离子电池使用场合的复杂化,锂离子电池暴露在高温环境下的几率越来越来大,在外部温度不断升高的条件下,电池内部温度也不断升高,由于强放热反应而使电池温度突然升高而发生热失控,可能引起起火、爆炸等现象。因此,开展有关高温环境下锂离子电池的热失控过程的研究,可以为锂离子电池和大容量电池堆的安全储运以及探求有效途径来解决由于热效应而产生的安全问题提供科学的理论依据。  本文通过设计、组建18650型锂离子电池热失控过程温度参数的测试系统,通过铜棒代替18650型锂离子电池进行了空白实验,研究了铜棒、石棉、铁罐的温度变化规律,通过数据分析提出了热损失功率的计算方法。通过空白实验表明:(1)实验重复性较好,可以满足锂离子电池热失控实验要求。(2)铁罐在不同的加热功率条件下,温度基本不发生变化,保持在室温。(3)陶瓷化纤棉毯的温度变化几乎是线性的,陶瓷化纤棉毯的温度变化速率比较缓慢。(4)不同加热功率条件下,刚开始铜棒温度升高较快,然后升温速率降低,最后达到热平衡后铜棒温度将保持不变。(5)当加热功率为20W时,热量损失为132.96kJ。  开展了一系列18650型锂离子电池热失控实验。在短路情况下,锂离子电池温度缓慢增加到80℃后开始下降,实验过程中,无气体泄放,未发生热热失控现象;电池也无异常,电池质量无变化,电压降为0V。研究了不同恒定功率、非恒定功率、电池电压、充放电等情况下对18650锂离子电池热失控变化的影响;研究了18650型锂离子电池热失控的反应放热量、质量变化规律及热失控泄放气体燃烧对电池的影响。结果表明:(1)18650型锂离子电池热失控的临界加热功率在5W至6W之间。当加热功率大于临界功率时,随着加热功率的增加,初次泄气的温度、热失控发生的时间不断下降,初次泄气和热失控发生温度不断增加。当加热功率为6W、10W时,热失控结束后,出现温度下降的现象。当加热功率大于20W的时候,热失控结束后,温度继续增加。(2)当加热功率为20W时,如果加热至初次泄气时停止加热,锂离子电池温度从停止加热时温度开始缓慢下降;如果加热至出现连续泄气现象后(即225.3℃)停止加热,锂离子电池温度继续上升,并出现热失控现象,最高温度到达340.3℃时,温度开始下降。如果加热至出现泄气爆发时(238.5℃)停止加热,锂离子温度继续上升,最高温度到达371.3℃时,温度开始下降。(3)当加热功率为20W时,如果电池电压为0V、2.8V、3.3V时,锂离子电池只出现初次泄气现象,没有发生热失控现象;如果电池电压为4.2V时,锂离子电池发生初次泄气、出现热失控时温度、热失控停止温度、实验现象与3.78V锂离子电池有着明显的区别,3.78V锂离子电池在爆发泄气时现象为出现一大团烟雾和泄气声音,而4.2V锂离子电池在爆发泄气时的现象为出现火光、大团烟雾现象并且伴随着急剧的泄气声音且4.2V锂离子电池发生初次泄气和热失控的温度都低于3.78V锂离子电池。(4)当加热功率为20W时,如果对0V锂离子电池进行充电,锂离子电池出现初次泄气现象,并在温度为221.1℃时发生热失控,温度达到267.1℃时热失控结束,发生初次泄气的温度比未充电状态高出30多℃。如果对2.8V锂离子电池进行充电,实验现象与0V锂离子电池的实验现象几乎相同,区别是出现了泄气爆发现象,爆发泄气现象时没有声音,只有不是很大的一团烟雾。(5)在短期放电条件下(几乎不改变电池电压),放电过程对锂离子电池热失控过程的变化几乎没有影响。(6)神火牌锂离子电池在加热功率为20W的恒定加热条件下,发生初次泄气和热失控的温度要高于三洋牌锂离子电池,热失控结束时的温度要低于三洋电池。(7)当加热功率为20W时,加热到初次泄气,质量损耗为2.58g,继续加热到发生热失控现象后,质量损耗增加到5.5g,表明质量损耗在热失控前就已经发生。充放电、加热功率及电池电压的变化锂离子电池发生热失控后质量几乎没有影响。当锂离子电池电压为4.2V时,发生热失控后质量损耗最大,达到24.74g。
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