鉅大LARGE | 點擊量：262次 | 2024年01月09日
動力鋰離子電池安全嗎？動力鋰電池安全測試
針關于電芯級別測試，取消了爭議比較大針刺試驗，根據(jù)《電動汽車用動力蓄電池安全要求》給出的理由是IEC等國際標準沒有發(fā)現(xiàn)針刺試驗，以及由于針刺試驗與實際失效模式不相符等理由，工信部公布的新能源汽車準入管理規(guī)定（39號令）中針刺為暫不執(zhí)行項目。
但筆者認為，取消針刺試驗實際上是各方利益集團游說的結果。取消針刺試驗是否合理姑且不論，本文著重討論一下針刺實驗與動力鋰電池實際失效模式是否相符，以及針刺試驗研究的最新研究進展。因為安全性是人們使用鋰離子電池最為關心的問題之一，特別是在新能源車等關系到生命財產(chǎn)安全的領域，安全尤為重要。但是關于鋰離子電池安全測試試驗而言，針刺實驗是最為復雜的，這是因為整個鋰離子電池的能量都會通過內(nèi)短路點在短時間內(nèi)快速釋放（最多會有70%的能量在一分鐘內(nèi)釋放），導致溫度在短時間內(nèi)急劇上升，繼而引發(fā)連鎖反應，從而導致熱失控。
談談動力鋰電池的安全測試針刺實驗
針刺測試，將充滿電的電池放在一個平面上，用直徑3mm的鋼針沿徑向?qū)㈦姵卮檀y試電池不起火、不爆炸。因為動力鋰電池在實際應用場合，存在異物刺入電池包內(nèi)部導致電池發(fā)生短路的可能，而針刺測試能夠很好的反應電池短路的發(fā)生情況，當鋼針刺入時，鋼針供應了電池內(nèi)部短路的通路，電池的電能轉(zhuǎn)化為熱能，并存儲在電池內(nèi)部，短路造成短時間內(nèi)能量的集中爆發(fā)和釋放，有可能出現(xiàn)冒煙、漏夜，甚至起火爆炸。通過電池材料、結構設計的改進，高能量的鋰離子電池是能夠通過針刺測試的。當針刺入電池時，電池內(nèi)部形成很對短路通路，它實際上同時模擬了內(nèi)短路和外短路兩種過程
英國AhmedAbaza博士在讀書期間就和捷豹路虎的電池研發(fā)工程師RonnyGenieser一起開展動力鋰電池濫用安全研究，17年博士畢業(yè)后以高壓電池工程師加入捷豹路虎工作。Abaza博士期間研究重點關注針刺實驗，這里簡要介紹下AhmedAbaza博士在針刺實驗上取得的一些成果和結論。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
重要研究方面包括針刺實驗重復性真的差嗎？怎么控制短路形式？怎么代表內(nèi)短路場景，如單層短路vs全刺穿短路等。
當針刺觸發(fā)內(nèi)短路時，電流從電池內(nèi)部經(jīng)針從正極流向負極進行放電過程（圖1），短路電阻如公式（1）所示：
Rs=Rnail+Rcnt（1）
式中Rs為短路電阻，Rnail為針自身電阻，Rcnt為接觸電阻。
Rnail=ρL/A（2）
式中ρ為針的電阻率，L為針的長度，A為真的橫截面積。
針刺后的歐姆熱功率為
P=I2*Rs（3）
式中P為歐姆熱功率，I為短路電流。
通過以上公式不難看出，針刺實驗結果不僅同針的材質(zhì)（ρ）、粗細（A）有關，還同接觸電阻和電芯的厚度（L）有關。針刺過程最復雜的地方在于針同電池內(nèi)部正負極極片接觸位置存在接觸電阻，且隨著針刺深度的變化和內(nèi)部化學反應的進行，接觸電阻是動態(tài)變化的，從而導致針刺實驗的重復性相對較差。
AhmedAbaza博士的針刺實驗所用裝置、電池及相關參數(shù)如圖2、表1和2所示。所用電池為15AhLMO-NMC疊片軟包電池，電池內(nèi)阻6m，針刺實驗前電池處于滿充態(tài)。針刺實驗所用的針選用了三種材質(zhì)，分別為銅針、鋼針和塑料針。針直徑為3mm和10mm兩款，針刺速度為100mm/s，針尖錐角60。實驗溫度在16℃左右，低于常規(guī)的25℃。測試時軟包電池放置在熱箱內(nèi)，目的是保溫，防止實驗過程時電池同外界有過多熱交換。
談談動力鋰電池的安全測試針刺實驗
從實驗結果不難看出:(1)三種不同材質(zhì)的針得到的結果截然不同；(2)同樣材質(zhì)針重復十次實驗，結果可能存在很大偏差。從電壓曲線判斷，銅針針刺更容易導致電池發(fā)生嚴重內(nèi)短路，一個樣品不到2h即完全放電；鋼針次之，16h仍未完全放電；而塑料針針刺內(nèi)短路極微弱，甚至有的似乎觀察不到內(nèi)短路現(xiàn)象。以上結果證明：（1）針刺實驗結果確實同針的電導率有關；（2）針刺實驗中針是重要電流通路。針刺實驗的低重復性表明影響針刺實驗結果的不僅有針自身的電阻，接觸電阻也是極為重要的因素。而針刺過程接觸電阻難以測量，針的表面粗糙度、錐角、針刺過程電解液反應產(chǎn)物都有可能對接觸電阻存在影響。
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