內(nèi)短路的案例
基于Comsol的鋰電池針刺、內(nèi)短路和過(guò)充仿真
在實(shí)際中由于鋰枝晶生長(zhǎng)，以及在生產(chǎn)過(guò)程中引入的導(dǎo)電多余物等可能會(huì)引起隔膜的失效，導(dǎo)致鋰離子電池發(fā)生內(nèi)短路。內(nèi)短路時(shí)短路點(diǎn)的大電流會(huì)導(dǎo)致局部溫度快速升高，進(jìn)而引發(fā)電池發(fā)生熱失控，</p><p> </p><p> 由于鋰離子電池內(nèi)短路的形式有多種，例如內(nèi)部導(dǎo)電多余物、針刺和擠壓等都會(huì)造成不同形式的內(nèi)短路點(diǎn)，鋰電池內(nèi)部的金屬物體相當(dāng)于一個(gè)額外集流體的功能，將引起附近鋰離子流向改變，在這些額外的集流體上引起電流集中。</p><p><br></p><p><img src="https://www.yqgqt.org.cn/platform/static/ueditor/themes/default/images/spacer.gif"></p><div contenteditable="false" width="100%"><img src="https://img.jishulink.com/upload/202202/0d7dddb4d3b34fb884a092f89cd55105.png" title="QQ圖片20220227133341.png" alt="QQ圖片20220227133341.png" style="max-width:760px;" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/upload/202202/0d7dddb4d3b34fb884a092f89cd55105.png?
展開 鋰電儲(chǔ)能系統(tǒng)熱失控防控技術(shù)研究進(jìn)展
1.4 內(nèi)短路機(jī)理
Maleki等采用實(shí)驗(yàn)和熱建模的方法研究了內(nèi)短路。Santhanagopalan等模擬了鋰離子電池可能出現(xiàn)內(nèi)短路的場(chǎng)景，增進(jìn)了對(duì)內(nèi)短路的理解。Ouyang等認(rèn)為多種濫用條件下熱失控的共性過(guò)程是內(nèi)短路，并提出一種基于電池組內(nèi)電池一致性的內(nèi)短路檢測(cè)方法，有助于電池管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)內(nèi)短路檢測(cè)。目前的研究表明，內(nèi)短路是由隔膜崩潰造成的，這是熱失控的直接原因。儲(chǔ)能電站鋰離子電池服役條件復(fù)雜，極易造成電池的電濫用，使電池負(fù)極析鋰形成鋰枝晶刺穿隔膜引發(fā)內(nèi)短路。電池發(fā)生內(nèi)短路后瞬間釋放大量的熱量，使得電池溫度迅速升高從而發(fā)生電池?zé)崾Э亍?duì)電池內(nèi)短路機(jī)理的研究有助于理解熱失控發(fā)生的過(guò)程，并對(duì)電池內(nèi)短路進(jìn)行預(yù)測(cè)。綜上可知，熱失控演化過(guò)程中，鋰離子電池副反應(yīng)既會(huì)產(chǎn)生熱量，又會(huì)產(chǎn)生氣體。電池溫度的升高是熱量積累的結(jié)果，電池內(nèi)壓增高是氣體在電池殼密閉空間積聚的結(jié)果。當(dāng)熱量和氣體積累到一定程度時(shí)，電池安全閥打開，噴出大量氣體，可燃?xì)怏w和空氣迅速混合。熱失控繼續(xù)進(jìn)行，化學(xué)反應(yīng)速率迅速加快使升溫速率和氣體產(chǎn)生速率驟升，滿足著火條件時(shí)，電池發(fā)生起火燃燒。當(dāng)然，也有可能是高速率泄氣過(guò)程中產(chǎn)生的電火花點(diǎn)燃可燃?xì)怏w引發(fā)的燃燒。對(duì)于儲(chǔ)能電站而言，局部燃燒產(chǎn)生之后，大量高溫可燃有毒混合煙氣會(huì)發(fā)生氣體流動(dòng)運(yùn)移現(xiàn)象，當(dāng)可燃?xì)怏w在受限空間積聚到一定程度時(shí)，遇到點(diǎn)火源，發(fā)生氣體爆炸。據(jù)此，儲(chǔ)能電站鋰離子電池的熱失控演化過(guò)程可根據(jù)其熱失控特性劃分為放熱、產(chǎn)氣、增壓、噴煙、起火燃燒、氣體爆炸六個(gè)過(guò)程，如圖4所示。基于熱失控特性理解這六個(gè)過(guò)程是研究熱失控防控技術(shù)的基礎(chǔ)。
展開 應(yīng)用COMSOL APP分析鋰電池?zé)崾Э芈臃揽卮胧?/span>
<br></p>
</div><p><br></p><p> 此次我們主要討論內(nèi)短路，內(nèi)短路引起電池?zé)崾Э剌^為普遍。各種各樣的原因都可能產(chǎn)生不同類型的內(nèi)短路，包括機(jī)械變形、擠壓、撕裂，隔膜破裂、過(guò)充過(guò)放、極端過(guò)熱。更危險(xiǎn)的一種內(nèi)短路是自引發(fā)內(nèi)短路，如在制造過(guò)程中隨機(jī)摻雜的雜質(zhì)和顆粒，在長(zhǎng)期運(yùn)行之后累積演變發(fā)生的內(nèi)短路，導(dǎo)致事故。</p><div contenteditable="false" width="100%"><img src="https://img.jishulink.com/upload/202112/0a313462d1a441d1b6053a64b8696b4a.png" title="QQ圖片20211209213641.png" alt="QQ圖片20211209213641.png" style="max-width:760px;" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/upload/202112/0a313462d1a441d1b6053a64b8696b4a.png?image_process=/format,webp" data-pc-src="https://img.jishulink.com/upload/202112/0a313462d1a441d1b6053a64b8696b4a.png?
展開 什么是多功能復(fù)合集流體技術(shù)？
相較傳統(tǒng)的鋁箔集流體其可靠性更高，能更好地避免正負(fù)極短路。配合上下涂覆的兩個(gè)安全涂層，便形成了最終的五層安全結(jié)構(gòu)。
先把這些材料做個(gè)梳理：
一、OPPO的復(fù)合集流體技術(shù)
OPPO是在7月舉辦的“閃充開放日”上發(fā)布這項(xiàng)電池技術(shù)的。此技術(shù)是針對(duì)電芯本身的安全和充電技術(shù)的安全，取名字叫“夾心式安全電池”，采用的是在一層新型高分子復(fù)合材料的基礎(chǔ)上，鍍上兩層鋁，再涂上安全涂層，形成一個(gè)五層安全結(jié)構(gòu)的“三明治”夾心集流體。
圖2 夾心電池的示意圖
在電池受到外力擠壓沖撞時(shí)，這個(gè)五層結(jié)構(gòu)的集流體，既能大大降低電池內(nèi)部短路的概率，夾心層中的高分子材料還能隔絕正負(fù)極，OPPO 是通過(guò)外部沖擊和針刺兩種演示方式，來(lái)體現(xiàn)常規(guī)集流體和復(fù)合集流體的差異的。
圖3 復(fù)合集流體技術(shù)在沖擊測(cè)試中的保護(hù)
圖4 復(fù)合集流體技術(shù)在針刺過(guò)程中的阻斷效果
二、C家的復(fù)合集流體
我把申報(bào)材料中的內(nèi)容簡(jiǎn)化一下：
1）安全性
鋁箔通過(guò)熱-機(jī)械載荷斷路的電池內(nèi)短路模擬仿真，引入真空氣相沉積技術(shù)，構(gòu)建了“金屬導(dǎo)電層-高分子支撐層-金屬導(dǎo)電層”三明治結(jié)構(gòu)復(fù)合集流體。通過(guò)金屬層與高分子層機(jī)械-電-熱性能的多重耦合關(guān)系，
在“點(diǎn)接觸”內(nèi)短路時(shí)，導(dǎo)電層在短路點(diǎn)受力開裂剝離或在短路大電流瞬間熔斷，毫秒內(nèi)切斷短路電流回路；
在“面接觸”內(nèi)短路時(shí)，支撐層在短路面受熱熔融收縮形成集流體結(jié)構(gòu)局部坍塌，在熱失控前切斷短路電流回路。
根據(jù)這種設(shè)計(jì)，解決了高鎳電池內(nèi)短路難題，徹底解決了電池因內(nèi)短路易引發(fā)熱失控的行業(yè)難題。
展開 
電動(dòng)汽車電池安全事故分析與研究現(xiàn)狀
綜合事故發(fā)生的概率，我們可以看出，內(nèi)部短路與外部短路是多種故障的共性問(wèn)題，內(nèi)部短路涉及了52%的事故概率，而外部短路涉及了26%的事故概率，過(guò)充電涉及了20%的事故概率，由過(guò)放電引發(fā)電池起火的可能性從理論上講是存在的，但在實(shí)際情況中從未出現(xiàn)。
2.1 內(nèi)部短路故障機(jī)理
從觸發(fā)機(jī)制上看，內(nèi)部短路有三類不同的類型，第一類是自引發(fā)內(nèi)短路，第二類是由于過(guò)充電/過(guò)放電引發(fā)的內(nèi)短路，第三類則是由于機(jī)械破壞引發(fā)的內(nèi)短路。自引發(fā)內(nèi)短路潛伏性強(qiáng)、作用時(shí)間長(zhǎng)。自引發(fā)內(nèi)短路主要是由于電池內(nèi)部原因所導(dǎo)致，包括正極材料摻雜，隔膜材質(zhì)不佳，銅箔鋁箔分切毛刺，疊片、卷繞錯(cuò)位，以及電解液浸潤(rùn)不均等。自引發(fā)內(nèi)短路潛伏性強(qiáng)、作用時(shí)間長(zhǎng)；過(guò)充電/過(guò)放電時(shí)會(huì)在電極形成許多針狀晶枝，這些針狀晶枝會(huì)刺破電池隔膜，造成多個(gè)微小的短路回路，并持續(xù)放熱，需要注意的是，過(guò)充引發(fā)的內(nèi)短路也并不一定立刻觸發(fā)熱失控，有可能這個(gè)過(guò)程的溫升還不足以達(dá)到熱失控臨界閾值，在車輛駛離充電站之后，由于內(nèi)短路的持續(xù)運(yùn)作，電池溫度繼續(xù)攀升而達(dá)到失控溫度引發(fā)車輛起火。機(jī)械破壞引發(fā)內(nèi)短路是汽車碰撞時(shí)電池被擠壓/穿刺而引發(fā)，這類情況難以預(yù)測(cè)，只能通過(guò)恰當(dāng)?shù)膽?yīng)對(duì)措施來(lái)降低危害。
2.2 過(guò)充電故障機(jī)理
關(guān)于電池過(guò)充電的故障機(jī)理目前已有較為成熟的研究，當(dāng)電池發(fā)生過(guò)充電時(shí)，由于負(fù)極的儲(chǔ)存格已裝滿，后續(xù)的鋰離子會(huì)堆積于負(fù)極材料表面形成金屬鋰，并由負(fù)極表面往鋰離子來(lái)的方向長(zhǎng)出樹枝狀結(jié)晶，形成的金屬鋰結(jié)晶會(huì)穿破隔膜使正負(fù)極短路從而引發(fā)短路。
展開 應(yīng)對(duì)不同環(huán)境考驗(yàn)，談?wù)勚悄堋⒆赃m應(yīng)蓄電池設(shè)計(jì)
1.智能自我保護(hù)
鋰離子電池的自我保護(hù)是鋰離子電池的最基本的功能，目前鋰離子電池組的BMS系統(tǒng)基本上都能夠?qū)崿F(xiàn)溫度保護(hù)、電流保護(hù)等功能，但是這都是在系統(tǒng)層級(jí)上的保護(hù)，而對(duì)于鋰離子電池的智能化設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)鋰離子電池層面的自我保護(hù)，例如在電池內(nèi)增加額外的感應(yīng)電極、增加溫度反饋智能材料，通過(guò)在鋰離子電池內(nèi)增加一些智能結(jié)構(gòu)和材料，從而實(shí)現(xiàn)鋰離子電池智能化設(shè)計(jì)。
1.1防內(nèi)短路設(shè)計(jì)
內(nèi)短路是影響鋰離子電池安全性的嚴(yán)重問(wèn)題，由于鋰枝晶、多余物等導(dǎo)致的鋰離子電池內(nèi)短路，往往會(huì)引起嚴(yán)重的安全問(wèn)題。
為了解決鋰枝晶生長(zhǎng)導(dǎo)致的內(nèi)短路事故，人們?cè)O(shè)計(jì)了多種方法監(jiān)控鋰離子電池內(nèi)部鋰枝晶的生長(zhǎng)。例如Wu等人設(shè)計(jì)的多功能隔膜，這種隔膜在傳統(tǒng)的聚合物隔膜中間還加入了一層金屬，這層金屬充當(dāng)了鋰枝晶探測(cè)器的功能，通過(guò)監(jiān)測(cè)這層金屬與負(fù)極之間的電壓差，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰枝晶的監(jiān)控，使得該隔膜即保留了傳統(tǒng)隔膜的功能，也實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰枝晶的監(jiān)控。斯坦福大學(xué)的Kai Liu三層復(fù)合多功能隔膜，改隔膜的特點(diǎn)是隔膜的中間層加入了SiO2，當(dāng)鋰枝晶生長(zhǎng)到一定程度時(shí)，穿刺隔膜時(shí)，SiO2會(huì)與金屬鋰發(fā)生反應(yīng)，消耗鋰枝晶，從而避免鋰枝晶的進(jìn)一步生長(zhǎng)【1】。
1.2智能防止鋰離子電池過(guò)熱
鋰離子電池如果發(fā)生過(guò)熱（如外部加熱、短路過(guò)程自放熱等）會(huì)引起隔膜收縮，引起正負(fù)極短路，進(jìn)而導(dǎo)致熱失控發(fā)生。傳統(tǒng)的PP-PE-PP復(fù)合隔膜在較低的溫度下，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)閉孔功能，從而切斷正負(fù)極的反應(yīng)，達(dá)到抑制電池過(guò)熱的效果，但是如果溫度過(guò)高，PP層也發(fā)生收縮時(shí)，這種三層復(fù)合隔膜也就失效了。
為了解決鋰離子電池在過(guò)熱情況下的安全性問(wèn)題，Yim等人設(shè)計(jì)一款能夠保護(hù)鋰離子電池過(guò)熱情況下安全的電解液添加材料。我們都知道一般的電解液阻燃劑都會(huì)對(duì)鋰離子電池的性能造成嚴(yán)重影響，因此難以在實(shí)際中的應(yīng)用。
展開 汽車碰撞安全與輕量化研發(fā)中的若干挑戰(zhàn)性課題
圖4 適應(yīng)多方向碰撞的假人結(jié)構(gòu)
2.4 車用動(dòng)力電池碰撞擠壓工況下的變形失效機(jī)理與損傷容限
電芯受到局部擠壓導(dǎo)致短路失效是電動(dòng)汽車碰撞事故中危險(xiǎn)性比較高的典型工況。基于大量試驗(yàn)觀測(cè)，對(duì)擠壓工況下軟包電芯、方形硬殼電芯等不同類型電芯的內(nèi)部損傷積累進(jìn)行了細(xì)致分析，發(fā)現(xiàn)了宏觀力學(xué)響應(yīng)變化特征、斷裂模式與局部損傷演化的高度一致性[21-22]。對(duì)不同類型電芯實(shí)施球頭擠壓試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)獲得的擠壓力-位移響應(yīng)進(jìn)行分析總結(jié)，發(fā)現(xiàn)了宏觀力學(xué)響應(yīng)曲線斜率拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)著內(nèi)部損傷特征演化的起始時(shí)刻。利用掃描電鏡觀測(cè)解剖后的變形電芯樣品，對(duì)不同載荷水平下的電芯內(nèi)部形貌加以分析，揭示了電芯擠壓變形過(guò)程中的內(nèi)部損傷特征，包括電極活性涂層顆粒的壓裂和滑移、活性涂層從金屬集流體上的脫落、隔膜局部壓縮減薄、隔膜陶瓷涂層脫附、以及電極活性涂層與隔膜的局部粘連等，證實(shí)了電芯內(nèi)部發(fā)生的材料和界面不可逆損傷累積是形成最終局部斷裂和內(nèi)短路的主導(dǎo)因素（圖5），組分材料的斷裂位置與損傷累積顯著的區(qū)域吻合較好[23-24]，宏觀力學(xué)響應(yīng)和電熱響應(yīng)特征存在良好的一致性。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，不同擠壓工況下電芯的局部斷裂位置和斷裂模式存在差異，對(duì)電熱響應(yīng)影響顯著。基于宏微觀測(cè)試和仿真聯(lián)合分析，揭示了電池碰撞擠壓內(nèi)短路的觸發(fā)機(jī)理，為開發(fā)電池碰撞響應(yīng)預(yù)測(cè)模型和確定電芯變形閾值提供了必要的物理基礎(chǔ)。
圖5 車用動(dòng)力電池碰撞擠壓內(nèi)短路失效機(jī)理與電池碰撞擠壓計(jì)算模型
2.5 車用動(dòng)力電池的碰撞仿真分析方法及失效預(yù)測(cè)模型
動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)一直缺乏可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)碰撞變形和失效的電池?cái)?shù)值模型，使得電池包結(jié)構(gòu)存在技術(shù)盲區(qū)，基于工程經(jīng)驗(yàn)和迭代試驗(yàn)的技術(shù)方法開發(fā)成本高，并且易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過(guò)設(shè)計(jì)。
展開 基于LS-DYNA的電動(dòng)汽車電池?cái)D壓損傷仿真分析
通過(guò)分析其應(yīng)力分布圖可以看出，電池殼體兩端變形較大，受擠壓后更容易因?yàn)闅んw變形，導(dǎo)致其內(nèi)部隔膜破裂，從而引發(fā)內(nèi)短路，發(fā)生起火失控現(xiàn)象，其殼體機(jī)械損傷程度為兩端高，中間幾乎無(wú)損傷，兩端部位的變形量也變化較大，可見電池殼體在擠壓過(guò)程中，受到兩端較大變形，導(dǎo)致其內(nèi)部隔膜破壞，發(fā)生內(nèi)短路，進(jìn)而失效。
擠壓仿真過(guò)程中，同時(shí)提取了X、Y、Z方向的擠壓力，如圖7～9所示。
圖7 X擠壓方向仿真結(jié)果
圖8 Y擠壓方向仿真結(jié)果
圖9 Z擠壓方向仿真結(jié)果
圖1 0 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比
結(jié)果表明，沿著X擠壓方向受力最大，但同時(shí)在Y和Z擠壓方向上，由于擠壓變形后，擠壓力隨著電池單體發(fā)生不可逆的塑性應(yīng)變，也會(huì)有擠壓力的波動(dòng)，符合預(yù)計(jì)結(jié)果。提取得到電池單體在擠壓過(guò)程中受到的載荷實(shí)時(shí)曲線與試驗(yàn)結(jié)果的曲線對(duì)比，如圖10所示，由圖可知二者趨勢(shì)基本一致。
在電池單體擠壓變形時(shí)，內(nèi)部的正極和負(fù)極之間的隔膜可能會(huì)被擠壓或磨損，導(dǎo)致電解質(zhì)泄漏或短路。同時(shí)，正極和負(fù)極之間的連接材料，如銅箔或鋁箔，也可能會(huì)破裂或斷裂，導(dǎo)致電池單體電性能力降低或失效。因此，電池單體的擠壓損傷分析既關(guān)注電解質(zhì)泄漏，也關(guān)注連接材料的斷裂。具體來(lái)說(shuō)，電池單體擠壓之后，應(yīng)力會(huì)在單體內(nèi)部產(chǎn)生分布。在材料的許用應(yīng)力強(qiáng)度范圍內(nèi)，應(yīng)力構(gòu)成與應(yīng)變成正比例，這時(shí)單體材料具有彈性。但如果應(yīng)力超過(guò)了材料的極限強(qiáng)度，單體開始發(fā)生塑性變形，這時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變之間不再成比例，單體不再具有彈性，并可能出現(xiàn)裂紋或斷裂。在電池?cái)D壓變形過(guò)程中，當(dāng)載荷達(dá)到最大時(shí)電池會(huì)由于殼體強(qiáng)度失效、變形量增大導(dǎo)致其內(nèi)部發(fā)生熱失控，因此對(duì)于電池單體乃至于電池包的設(shè)計(jì)，合理布置其內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如何保護(hù)好電池包內(nèi)部的電池單體，是提高電池包的防碰撞能力的最重要的考量，對(duì)于其安全性能的改善也是十分必要的途徑。
展開 基于Comsol的鋰電池針刺實(shí)驗(yàn)仿真分析 ￥3500
image_process=/format,webp/resize,w_219" alt="基于comsol的鋰電池疊片電化學(xué)耦合熱分析的圖1" width="219"></span></p><p>鋰電池針刺實(shí)驗(yàn)</p><p> 針刺實(shí)驗(yàn)正是為了模擬鋰離子電池內(nèi)部短路的情況而設(shè)計(jì)的安全測(cè)試，下圖為日本早稻田大學(xué)的Tokihiko Yokoshima等人采用計(jì)算機(jī)斷層掃面技術(shù)得到的鋰離子電池在針刺全過(guò)程【2】。從圖中我們能夠看到當(dāng)鋼針進(jìn)入到電池內(nèi)部0.2mm時(shí)，電池內(nèi)部形成了第一個(gè)短路點(diǎn)，由于短路的發(fā)生電池內(nèi)部開始產(chǎn)氣，同時(shí)電池電壓也下降到了3.6V，同時(shí)鋼針的曲率半徑液從20um增加到了100um，這主要是因?yàn)?em>短路點(diǎn)的大電流使得鋼針尖端發(fā)生融化，表面短路點(diǎn)的溫度極高，此時(shí)由于鋼針尖端的融化電池內(nèi)短路點(diǎn)斷開，電池的電壓出現(xiàn)了回升，穩(wěn)定在了3.8V。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/202103/imgs/51ff08de604d4fcd9ff93c0e6d71cbfe.gif"></p><p> 從上面的實(shí)例可以看到針刺實(shí)驗(yàn)主要是通過(guò)鋼針刺穿電芯，引起正負(fù)極短路，模擬電池發(fā)生內(nèi)短路的情況。因此不難看出，針刺速度越慢、鋼針直徑越小、電池容量越大，短路點(diǎn)的電流密度也會(huì)越大，電池的溫升越高，電池也更容易發(fā)生熱失控。</p><p><br></p><p>這是實(shí)驗(yàn)當(dāng)中監(jiān)測(cè)的鋰電池電壓變化。
展開 做到這些，熱失控將不再是鋰電池安全的不治之癥！
Veith等人[10]試圖在根源上避免外力導(dǎo)致的鋰電池內(nèi)短路發(fā)生，設(shè)計(jì)了一種具有剪切增稠特性的電解液（圖3），該電解液利用非牛頓流體的特性，在正常狀態(tài)下，電解液呈現(xiàn)液體狀態(tài)，在遭遇突然的沖擊后則會(huì)呈現(xiàn)固體狀態(tài)，變得異常堅(jiān)固，甚至能夠達(dá)到防彈的效果，從而從根源上避免了在動(dòng)力電池發(fā)生碰撞時(shí)電池內(nèi)短路導(dǎo)致熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。
圖3. 剪切增稠電解液示意圖
五、導(dǎo)電劑與粘結(jié)劑
導(dǎo)電劑與粘結(jié)劑的種類與數(shù)量也影響著電池的熱穩(wěn)定性，粘結(jié)劑與鋰在高溫下反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱，不同粘結(jié)劑發(fā)熱量不同 , PVDF 的發(fā)熱量幾乎是無(wú)氟粘結(jié)劑的2倍 ,用無(wú)氟粘結(jié)劑代替PVDF可以提高電池的熱穩(wěn)定性。Jigang Zhou等人[11]最近還通過(guò)將復(fù)雜復(fù)合電極熱失控前后的相分布進(jìn)行單個(gè)電極顆粒層面的成像，并將多種相分離現(xiàn)象在熱失控前后的相關(guān)性進(jìn)行了納米級(jí)別的可視化，發(fā)現(xiàn)熱失控可能與導(dǎo)電劑以及粘結(jié)劑的分布呈現(xiàn)密切的相關(guān)性。他們創(chuàng)新性地將具有元素及軌道選擇性、化學(xué)與電子結(jié)構(gòu)敏感性的透射X光掃描顯微技術(shù)(PEEM)用于研究熱失控下鈷酸鋰層狀電極顆粒在多孔電極中相分離中的行為。熱失控前后相分離在單個(gè)電極顆粒層面呈現(xiàn)出超乎預(yù)測(cè)的不均勻化。這種不均勻化與顆粒尺寸、晶面結(jié)構(gòu)相關(guān)性不明顯，但與導(dǎo)電劑以及粘結(jié)劑的分布呈現(xiàn)密切的相關(guān)性。
鋰離子電池?zé)崾Э貒?yán)重威脅著使用者的生命還財(cái)產(chǎn)安全，提高鋰離子電池的安全性、避免熱失控的發(fā)生不僅需要從電池材料上做出改變，還需要結(jié)合電池配方設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電池組的熱管理設(shè)計(jì)上多管齊下，共同提高鋰電池?zé)岱€(wěn)定性，減少熱失控發(fā)生的可能性。
來(lái)源：材料人
展開 淺析“碳中和”戰(zhàn)略中鋰電池?zé)崾Э貦C(jī)理、COMSOL仿真和對(duì)策
③ 軟包單層穿刺熱失控模型
原文鏈接：
https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1788316
鋼針插入電芯右側(cè)，引起短路導(dǎo)致電流匯聚并產(chǎn)生大量熱量
隨著溫度升高導(dǎo)致熱失控發(fā)生
comsol電化學(xué)仿真計(jì)算出來(lái)的電壓變化曲線，在刺穿不同電化學(xué)層時(shí)，體現(xiàn)出來(lái)的電壓臺(tái)階。
在3秒~5秒之間，穿刺的深入，電壓迅速降低到0V附近。軟包電芯針刺區(qū)域最高溫短時(shí)間內(nèi)上升到接近300度。
通過(guò)從實(shí)驗(yàn)、機(jī)理到模型深入的研究，為下一步的熱失控防控、預(yù)測(cè)做打好了基礎(chǔ)，防控?zé)崾Э匾彩且豁?xiàng)需要全產(chǎn)業(yè)鏈相互配合的重要課題。
三、鋰電池?zé)崾Э胤揽睾皖A(yù)測(cè)
鋰電池行業(yè)上下游正在積極探索鋰電池?zé)崾Э氐慕鉀Q方案，此次我們從防控和預(yù)測(cè)上簡(jiǎn)單介紹一些研究方向和新技術(shù)。
1、改善鋰晶枝生長(zhǎng)的措施，降低在濫用情況下鋰晶枝造成內(nèi)短路的風(fēng)險(xiǎn)；
穩(wěn)定界面：人工向電解液中添加多孔復(fù)合材料膜分散鋰離子分布，抑制鋰晶枝生長(zhǎng)；多孔復(fù)合膜可以明顯降低鋰晶枝尖端的電流密度，抑制其生長(zhǎng)。
多孔孔道均勻化了鋰離子的電流密度
修飾電極微結(jié)構(gòu)：增加集流體、多孔電極的比表面積，引入納米纖維等結(jié)構(gòu)，使鋰離子分布均勻；
電解液添加劑、固態(tài)電解液：改善鋰離子的傳遞，或者加強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度壓制鋰晶枝生長(zhǎng)。
等等
2、提高電芯材料耐熱性能；
通過(guò)研究和改良正負(fù)極、電解液材質(zhì)、結(jié)構(gòu)等物性，朝著提升材料耐熱性能方向，使得整體電芯在溫度耐受、抵抗熱濫用上有明顯提升。
在電芯材料方面，某大廠研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過(guò)原子層級(jí)創(chuàng)新，開發(fā)出了高穩(wěn)定性正極材料和高安全電解液，同時(shí)電芯結(jié)構(gòu)部分，設(shè)計(jì)了高集成、強(qiáng)魯棒的防內(nèi)短路電極。
展開 
低溫循環(huán)老化對(duì)鋰離子電池機(jī)械濫用安全性的影響
拆解擠壓后的電池單體可以發(fā)現(xiàn)，老化電池的剪切斷裂帶外擴(kuò)，剪切深度增加，短路面積增加，因此電壓下降速度加快，電能在較窄的時(shí)間窗口內(nèi)釋放，溫升更高。
對(duì)于30%容量衰減的電池，剪切帶的外擴(kuò)現(xiàn)象和深度增加現(xiàn)象異常明顯，在開始短路一瞬間，電壓跳水到3.19V，擠壓處電池表面溫度上升到117攝氏度，而電池內(nèi)部的溫度會(huì)更高。溫度的上升，會(huì)引發(fā)其它連鎖反應(yīng)。文獻(xiàn)表明，當(dāng)電池內(nèi)部的溫度達(dá)到120攝氏度時(shí)，會(huì)引發(fā)鋰枝晶與電解液的反應(yīng)，造成試驗(yàn)中觀察到的電池產(chǎn)氣和膨脹現(xiàn)象。當(dāng)溫度達(dá)到135攝氏度時(shí)，會(huì)引發(fā)隔膜結(jié)構(gòu)坍塌和閉孔，阻止進(jìn)一步的內(nèi)短路，使電壓回彈。對(duì)于30%容量衰減的電池，隔膜SEM掃描結(jié)果顯示，靠近剪切斷裂帶位置的隔膜發(fā)生了結(jié)構(gòu)坍塌和閉孔現(xiàn)象。
圖5 低溫循環(huán)老化對(duì)電池負(fù)極形貌、負(fù)極力學(xué)性能與電池?cái)D壓響應(yīng)的解釋
展開 儲(chǔ)能電池系統(tǒng)熱失控安全監(jiān)測(cè)傳感器解決方案
儲(chǔ)能電池單體因質(zhì)量缺陷、機(jī)械損傷、受熱或外部短路等導(dǎo)致鋰離子電池內(nèi)短路，引發(fā)電池?zé)崾Э仄鸹穑跓釣E用的作用下，整個(gè)電池模組和電池簇被點(diǎn)燃甚至發(fā)生爆炸。
什么是電池?zé)崾Э兀?電化學(xué)電池以不可控制的方式通過(guò)自加熱升高其溫度的事故即為熱失控。
什么是熱失控?cái)U(kuò)散？
熱失控電池產(chǎn)生的熱量高于它可以消散的熱量時(shí)，熱量進(jìn)一步積累，可能導(dǎo)致火災(zāi)，爆炸和氣體釋放。如果電池系統(tǒng)中，由于一個(gè)電芯產(chǎn)生熱失控而引發(fā)其他電芯熱失控，即為熱失控?cái)U(kuò)散。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 36276—2018中給出的熱失控?cái)U(kuò)散定義如表2所示。
熱失控的引發(fā)原因？
熱失控現(xiàn)象的產(chǎn)生原因可以分為兩類：內(nèi)因和外因。內(nèi)因主要指在電池設(shè)計(jì)及制造過(guò)程中產(chǎn)生的原因；外因主要指在電池運(yùn)輸、安裝及運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中由于人員、外部條件等導(dǎo)致的原因。分類概括如下▼
鋰電池?zé)崾Э胤磻?yīng)特征非常劇烈-失控難控制
熱失控預(yù)警：儲(chǔ)能電池多維度安全監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)受到國(guó)家層面高度重視！
針對(duì)熱失控預(yù)警技術(shù)，2022年08月29，工信部公開征求對(duì)《關(guān)于推動(dòng)能源電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見（征求意見稿）》的意見（以下簡(jiǎn)稱《指導(dǎo)意見》）給出了指導(dǎo)意見。
電池系統(tǒng)集成、檢測(cè)評(píng)價(jià)和回收利用中指導(dǎo)意見：
加強(qiáng)儲(chǔ)能電池多維度安全測(cè)試技術(shù)、熱失控安全預(yù)警技術(shù)和評(píng)價(jià)體系的開發(fā)與應(yīng)用，突破電池安全高效回收拆解、梯次利用和再生利用等技術(shù)。
展開 汽車電池?zé)峁芾頍崾Э卦蚣邦A(yù)防策略介紹（附視頻教程）
這種狀態(tài)通常由幾個(gè)關(guān)鍵因素引起，?包括過(guò)熱、?過(guò)充、?內(nèi)短路和碰撞等。?當(dāng)電池的熱失控達(dá)到一定溫度后，?電池內(nèi)部的溫度會(huì)直線上升，?從而導(dǎo)致燃燒爆炸。
我們時(shí)不時(shí)會(huì)在新聞中看到電動(dòng)汽車起火的事故，電動(dòng)汽車起火事件中，很多時(shí)候都與汽車電池有關(guān)。作為電動(dòng)汽車的“心臟”，電池組的設(shè)計(jì)、制造、使用和維護(hù)等環(huán)節(jié)都可能存在安全隱患。一旦電池出現(xiàn)問(wèn)題，就可能殃及其他。
所以今天我們就來(lái)剖析一下汽車電池?zé)崾Э氐哪切┦隆?part1「汽車電池?zé)崾Э卦颉?汽車電池?zé)崾Э氐脑蛑饕ㄟ^(guò)充電、?過(guò)放電、?過(guò)負(fù)荷、?外部短路、?內(nèi)部短路、?絕緣性下降以及電芯熱失控。?
過(guò)充電和過(guò)放電：?長(zhǎng)時(shí)間充電電流過(guò)大或電壓過(guò)高，?或動(dòng)力電池長(zhǎng)時(shí)間處于過(guò)度放電狀態(tài)，?都會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部壓力過(guò)大，?進(jìn)而引起電池內(nèi)部溫度升高，?最終引發(fā)熱失控。?
過(guò)負(fù)荷：?電動(dòng)汽車動(dòng)力電池在使用過(guò)程中若長(zhǎng)時(shí)間處于過(guò)載狀態(tài)下，?也會(huì)造成熱失控。?
外部短路和內(nèi)部短路：?短路故障通常由于過(guò)充電和過(guò)放電導(dǎo)致，?電池內(nèi)阻增大后，?電解液分解出氣體，?引起氣體膨脹和爆炸，?產(chǎn)生大量熱量，?導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度迅速升高，?進(jìn)而引起熱失控。?
絕緣性下降：?電池絕緣性能下降，?可能導(dǎo)致電池內(nèi)部短路，?從而引發(fā)熱失控。?
電芯熱失控：?電芯熱失控是導(dǎo)致電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)崾Э氐闹饕蛑唬?涉及到電池內(nèi)部壓力過(guò)大和溫度升高的問(wèn)題。?
part2「為何汽車電池?zé)崾Э責(zé)o法預(yù)測(cè)」
汽車電池?zé)崾Э責(zé)o法預(yù)測(cè)的原因主要在于電池內(nèi)部復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)和物理過(guò)程的難以預(yù)測(cè)性，?以及外部條件對(duì)電池安全性的影響。?
電池內(nèi)部復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)和物理過(guò)程的難以預(yù)測(cè)性：?電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)和物理過(guò)程涉及多個(gè)組分材料的分解反應(yīng)，?這些反應(yīng)一個(gè)接一個(gè)地發(fā)生，?形成一個(gè)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的機(jī)制。?
展開 電池管理系統(tǒng)（BMS）
BMS 核心算法
基于Kalman濾波的閉環(huán)SOC估計(jì)策略，提高SOC估計(jì)精度
基于模型的容量、內(nèi)阻在線辨識(shí)，監(jiān)控電池老化狀態(tài)（SOH）
考慮工況變化的剩余能量（SOE）估計(jì)，保障整車?yán)m(xù)駛里程估計(jì)精度
多狀態(tài)聯(lián)合估計(jì)策略，保障全生命周期狀態(tài)估計(jì)精度
內(nèi)短路早期識(shí)別，避免演化成熱失控，保障電池使用安全
基于電量一致的均衡策略，充分發(fā)揮電池包可用容量
