不同温度下锰酸锂动力电池的撞击实验

王宏伟,刘 军,邓 爽,肖海清

我国有关电动汽车(EV)用锂离子动力电池的研究取得了一定的进展[1-2]。针对锂离子动力电池,先后出台了GB/Z 18333.1-2001《电动道路车辆用锂离子蓄电池》[3]和QC/T 743-2006《电动汽车用锂离子蓄电池》等标准[4]。这些标准中,针对模拟车辆碰撞事故的电池重物撞击实验均在室温下进行,而在实际工况下,电池可能在各种温度下工作。

本文作者针对锰酸锂动力电池,在不同的温度环境下搁置后,快速进行重物撞击实验,研究了环境温度对电池安全性的影响,以及电池在实验过程中的温度变化规律。

1 实验

1.1 实验样品

本文采用的实验样品型号和参数如下:

功率型单体电池IMP18/66/133-11HA(苏州产),额定电压3.7 V,额定容量11 Ah,内阻≤6 mΩ。为了得到相对准确的实验结果,减小其他因素的影响,所选20只电池样品均取自同一批次,并在实验前,充放电预循环10次。充放电条件为:在20±2℃下,以3 500 mA恒流放电至电压为2.7 V,静置1 h,然后以3 500 mA恒流充电至电压为4.2 V,转恒压充电至电流降至350 mA,静置1 h。

电池的长、宽和高分别为 133 mm、66 mm 和18 mm;采用叠片式,包装为方形金属铝壳;正、负极活性材料分别为LiMn2O4和石墨,电解液的主要成分为LiPF6、碳酸乙烯酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC),隔膜为Celgard 2325膜。

1.2 实验方法

将100%SOC(荷电状态)的电池放置在SPHH-101型调温调湿箱(广州产)中,并设置不同的温度(-30℃、40℃和65 ℃),保温180 min;

将待测电池从调温调湿箱中取出,迅速放在防爆撞击箱的平面上,将直径为15.8 mm的钢棒放在样品中心,让质量为9.1 kg的重锤从1 000±15 mm的高度落在此钢棒上,继续观察样品6 h[5-7]。

分别使电池的宽面和窄面承受重物撞击,如图1所示。

图1 实验中电池与铁棒的放置位置Fig.1 The location of battery and bar during the test

通过粘附于电池表面的热电偶监测电池表面的温度,热电偶的分布见图2。

图2 热电偶的分布Fig.2 Schematic diagram of thermocouple distribution

1.3 实验内容

将在室温(20℃)下搁置后的电池 IT201、IT202和 IT204按图1b所示,电池 IT203、IT205按图1a所示进行撞击实验;将在-30℃下搁置后的电池IT-301、IT-303和IT-305按图1b所示,电池 IT-302、IT-304按图1a所示进行撞击实验;将在40℃下搁置后的电池IT403、IT404和IT405按图1b所示,电池IT401、IT402按图1a所示进行撞击实验;将在65℃下搁置后的电池 IT651、IT654按图 1b所示,电池 IT652、IT655和IT653按图1a所示进行撞击实验。

用TC53高精度电池性能测试系统(广州产)测试电池的性能;用FLUKE 2620数据采集器(广州产)采集各项实验参数。

2 结果与讨论

在不同温度环境下(-30℃、20℃、40℃和65℃)搁置后,快速进行的重物撞击实验,结果见表1。

表1 重物撞击实验结果Table 1 The results of impact tests

观察电池可见,由于铁棒挤压出现了凹痕,电池中间相对变薄,且内部也受到了挤压,即电极和隔膜也受到了挤压,隔膜没能有效地隔离正、负极,造成电池正、负极短路,引起内部的放热反应,产生了大量的热,热量到达一定值后,引起了着火、爆炸等现象。

电池IT203和IT652在实验过程中各布点温度的变化如图 3所示。

图3 电池IT203和IT652各布点温度的变化Fig.3 Changes of temperature based on the thermocouple distribution data of battery IT203 and IT652

撞击实验时所有试样的最高温度和温升速率见表2。

从表2可知,排除电池撞击实验后,电池相当于从-30℃、40℃或65℃的调温调湿箱中取出,在室温条件下搁置至常温的温度变化的数据(与样品直接从-30℃、40℃或65℃的调温调湿箱中取出,在室温条件下搁置至常温,不经过撞击试验的温度变化类似)。撞击实验中,电池最高温度与温升速率的关系见图4。

表2 撞击实验中各试样的温度数据Table 2 The temperature data of each sample in impact test

图4 电池最高温度与温升速率的关系Fig.4 Relation between temperature rise rate and maximum temperature

根据图4的数据,由最小二乘法的线性拟合,未着火试样温升速率与最高温度存在式(1)所示的关系:

式(1)中,y为最高温度(℃);x为温升速率(℃/s)。式(1)对应的 R2(R为相关系数)为 0.98。该值越接近1,说明线性拟合程度越好。

着火试样温升速率与最高温度存在式(2)所示的关系:

式(2)对应的 R2为0.94。

从式(1)、式(2)可知,未着火试样的温升速率与最高温度呈线性关系,着火试样的温升速率与最高温度呈3次多项式的关系,说明锰酸锂动力电池在撞击过程中,温升速率越快,越容易发生着火的热失控现象。

3 结论

在不同温度环境下(接近实验前的搁置温度:-30℃、20℃、40℃和65℃)锰酸锂动力电池的重物撞击实验可以看出,电池受到撞击后,壳体发生变形,电极和隔膜受到挤压,电极材料可能会出现脱落现象,隔膜会出现破裂,如果隔膜不能有效地隔离正、负极,会造成正、负极短路,引起电池内部的放热反应,产生的热量又会引起其他副反应的发生,如电极的分解、电解质的分解等,并产生较多的气体,使内部压力增加,压力到达一定的值后,会使电池发生着火、爆炸等现象。

研究表明:本文实验中所用锰酸锂动力电池产品在撞击实验过程中,总体安全性能不好;即使在低温下搁置后的电池在进行重物撞击实验时,也会发生由电池内短路引发的高温燃烧(爆炸)。这可能是由于电池制作的一致性或电池的工艺设计整体安全可靠性相对较低造成的。环境温度(本文中,接近实验前搁置温度)越高,电池的安全性越差:撞击实验时,未着火试样的温升速率与最高温度呈线性关系,着火试样的温升速率与最高温度呈3次多项式的关系,且着火试样的温升速率＞3℃/s,未着火试样的温升速率＜1℃/s,即电池在撞击过程中,温升速率越快,越容易发生着火等热失控现象。

[1]LIN Cheng-tao(林成涛),LI Teng(李腾),TIAN Guang-yu(田光宇),et al.电动汽车用锂离子动力电池的寿命试验[J].Battery Bimonthly(电池),2010,40(1):23-26.

[2]HU Xin-guo(胡信国).动力电池技术与应用[M].Beijing(北京):Chemical Industry Press(化学工业出版社),2009.

[3]GB/Z18333.1-2001,电动道路车辆用锂离子蓄电池[S].

[4]QC/T 743-2006,电动汽车用锂离子蓄电池[S].

[5]WEI Hong-bing(魏洪兵),WANG Cai-juan(王彩娟),ZHAO Yong(赵永),et al.锂离子电池重物撞击试验研究[J].Dianchi Gongye(电池工业),2011,16(4):209-211.

[6]SONG Yang(宋杨),WANG Cai-juan(王彩娟),WEI Hong-bing(魏洪兵),et al.锂原电池重物撞击试验分析[J].Dianchi Gongye(电池工业),2009,14(4):244-246.

[7]WANG Hong-wei(王宏伟),LIU Jun(刘军),DENG Shuang(邓爽),et al.动力锂离子电池撞击过程中热稳定性的研究[J].Dianchi Gongye(电池工业),2012,17(4):81-84.