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       隨著電動汽車續航里程的不斷增加，能量密度更高的三元材料逐漸替代了穩定性更好的磷酸鐵鋰材料。雖然三元材料為動力電池帶來了更高的能量密度，但是其熱穩定性較低，特別是高鎳材料在200℃度左右就開始發生分解，釋放O2，這也導致了三元材料鋰離子電池的安全性要低于磷酸鐵鋰材料電池，因此一旦發生電濫用、熱濫用和機械濫用等，就容易引起電池熱失控。

 

       近日，應急管理部天津消防研究所的羨學磊（第一作者）和董海斌（通訊作者）對三元軟包鋰離子電池在熱觸發和過充觸發熱失控兩種情況下的熱失控行為，研究表明熱觸發情況下主要是正極材料高溫分解產生O2與電解液氣化后產生的混合氣體噴出，因此電池直接噴射火焰，而又過充觸發的熱失控則主要來自于負極與電解液反應產生的大量的烷烴類氣體，因此電池先發生噴射，然后被點燃。

 

       實驗中作者采用的軟包三元鋰離子電池的基本信息如下圖所示，電池的正極材料采用的為NCM811，負極為石墨，電池容量為107Ah。

 

       為了觀測上述的軟包電池在熱失控過程中的行為，作者設計了下圖所示的觀測系統，采用高速相機（4000幀/s）、熱成像相機和普通相機記錄了整個熱失控過程。實驗中作者采用了兩種方式觸發熱失控，第一種是加熱的方式，通過在電池下部增加一個熱板，對滿電態的電池進行加熱，觸發熱失控。第二種方式是采用充放電設備對電池進行持續充電，通過過充的方式觸發電池熱失控。

 

       其中熱觸發主要包含以下步驟：

 

       充滿電

       加熱，直至熱失控

       停止加熱

       過充觸發則包含以下步驟：

 

       充滿電

       以50A電流持續對電池進行充電，直至熱失控

       停止充電

       加熱觸發熱失控
 

       熱觸發過程總計可以分為五個步驟：1.加熱，電池鼓包；2.一端爆噴；3.另一段爆噴；4.安靜燃燒；5. 結束。通過測試數據發現，當電池被加熱到215.7 ℃時，電池開始出現明顯的鼓脹和電解液爆噴現象，電池的一端出現噴火。大約7s后電池的另一端也開始出現噴火，同時電池四周也開始破裂，出現噴火，這一過程持續了19s，最高溫度為720.1 ℃。隨后電池進入到安靜燃燒的過程，這一過程持續了28s。在整個加熱的過程中電池的電壓基本無變化，直到電池出現爆噴后，電池電壓突然下降為0V，這表明我們無法通過檢測電壓異常的方式預警電池熱失控。

 

       為了驗證電池熱失控的觸發溫度，作者分別將電池加熱到100 ℃、150 ℃和200 ℃，測試結果表明電池在100和150 ℃下均不會發生熱失控，只有當加熱溫度超過200 ℃才會觸發熱失控。

 

       下圖為作者采用高速相機記錄的電池熱失控瞬間的畫面，可以看到電池時從靠近極耳的位置發生破裂，同時電池爆噴的速度非常快，在不到0.5s的時間里就有大量的火焰從鋁塑膜的破口出噴出。

       過充觸發熱失控
 

       過充觸發熱失控同樣可以分為5個階段：1. 電池鼓脹；2. 一端爆噴；3. 另一端爆噴；4. 安靜燃燒；5. 結束。

 

       測試發現當電池過充達到126%SoC時，電池表面最高溫度達到98.7 ℃，電池最大升溫速度為1.7 ℃/min，隨后電池的膨脹速度和升溫速度也開始快速增加，電池表面及極耳處的升溫速率不低于5 ℃/min，隨后電池的一端發生爆噴，在一端爆噴后的2s左右，另一端也發生了爆噴，同時電池的另外兩個長邊也出現撕裂的現象，電池開始朝著多個方向噴火，整個過程持續了大約5s。隨后電池開始安靜燃燒，這一過程持續了43s左右，在整個過程中電池的電壓一直持續升高，直到電池發生爆噴，電壓突然下降為0V。

 

 

       下圖為高速相機記錄的過充引起的電池爆噴現象，從圖中能偶看到首先電池一端的極耳開裂，噴出霧氣及高溫熔融狀態的固態顆粒，在爆噴的過程中，電池開口處出現了電火花，電解液被引燃，發生劇烈的爆炸式燃燒。

       在過充引發的電池爆噴中，電池噴出的電解液在初期并沒有發生燃燒，當這些可燃的氣體和液體與空氣中的氧氣達到一定的濃度時，電池噴出車的熔融顆粒會突然將其引燃，引起爆炸式燃燒（如下圖所示）。

       羨學磊的研究表明，加熱觸發和過充觸發的熱失控在電池的行為上存在一定的區別，其中加熱觸發時電池外殼破裂時噴出的氣體中混有相當數量的O2，因此電池直接噴射火焰，而在過充觸發熱失控時電池首先噴出的液體和氣體，以及熔融顆粒的混合物，在與空氣中的氧氣混合達到一定的濃度后才被引燃，隨即發生了爆炸式燃燒，其劇烈程度甚至要高于加熱觸發的熱失控。

 

       本文主要參考以下文獻，文章僅用于對相關科學作品的介紹和評論，以及課堂教學和科學研究，不得作為商業用途。如有任何版權問題，請隨時與我們聯系。

 

       三元鋰離子動力電池熱失控及火災特性研究，《儲能科學與技術》2020. 19（01）:239-249，羨學磊，董海斌，張少禹，李毅，劉連喜，于東興，盛彥鋒，伊程毅，韓光