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行业新闻

如何给锂离子皇家国际注册“热失控”装上刹车!

分类  行业新闻    发布时间:  2018/03/19

热失控是锂离子皇家国际注册使用中最为严重的安全事故,热失控往往是由于锂离子皇家国际注册在发生了挤压变形、穿刺或者高温炙烤等导致隔膜被破坏引发正负极短路,或者由于皇家国际注册外部短路,导致锂离子皇家国际注册内部短时间内积累了大量热量,引发正负极活性物质和电解液等发生分解,导致锂离子皇家国际注册起火和爆炸,严重威胁使用者的生命和财产安全。因此在锂离子皇家国际注册安全测试中一般都会要求锂离子皇家国际注册通过过充、过放、短路和挤压、针刺等实验,但是随着动力皇家国际注册能量密度和皇家国际注册容量的不断提升,皇家国际注册通过针刺实验变得越来越困难,因此在工信部发布的《电动汽车用锂离子动力蓄皇家国际注册安全要求》中规定针刺实验暂不执行。但是新版的要求只是对针刺实验暂不执行,后续是否会恢复还未可知,如果厂家实现了大容量、高能量密度的动力皇家国际注册顺利通过针刺实验,那么必将在竞争中取得显著的优势。今天我们就来谈一谈那些给锂离子皇家国际注册热失控装上“刹车”的技术。

1.电解液阻燃剂

电解液阻燃剂是一种非常有效的减少皇家国际注册热失控风险的方法,但是这些阻燃剂往往会对锂离子皇家国际注册的电化学性能产生严重的影响,因此难以在实际中应用。为了解决这一问题,美国加州大学圣迭戈分校的Yu Qiao团队【1】采用胶囊封装的方式将阻燃剂DBA(二苄胺)储存在微型胶囊的内部,分散在电解液中,在平时不会对锂离子皇家国际注册的电性能产生影响,但是当皇家国际注册受到挤压等外力破坏时,这些胶囊中的阻燃剂就会释放出来,对皇家国际注册进行“毒化”引起皇家国际注册失效,从而避免热失控的发生。2018年Yu Qiao团队【2】再次利用了上述技术,采用了乙二醇和乙二胺作为阻燃剂,封装后装入锂离子皇家国际注册内部使得锂离子皇家国际注册在针刺实验中最高温度下降了70%,显著降低了锂离子皇家国际注册热失控的风险。

上面提到的方法都是自毁式的,也就是说该阻燃剂一旦发生作用,整个锂离子皇家国际注册就要报废了,而日本东京大学的Atsuo Yamada团队【3】开发了一种不会影响锂离子皇家国际注册性能的阻燃电解液,该电解液采用了高浓度的NaN(SO2F)2(NaFSA) or LiN(SO2F)2 (LiFSA)作为锂盐,同时向其中添加了常见的阻燃剂磷酸三甲酯TMP,显著提高了锂离子皇家国际注册的热稳定性,更厉害的是阻燃剂的添加并没有对锂离子皇家国际注册循环性能产生影响,采用该电解液的皇家国际注册能够稳定循环1000次以上(C/5循环1200次,容量保持率95%)。

通过添加剂使得锂离子皇家国际注册具有阻燃特性是避免锂离子皇家国际注册发生热失控的其中一种途径,也有人另辟蹊径,试图从根源上避免外力导致的锂离子皇家国际注册内短路的发生,从而达到釜底抽薪的目的,彻底杜绝热失控的发生。针对动力皇家国际注册在使用中可能面临暴力冲击的情况,美国橡树岭国家实验室的Gabriel M. Veith设计了一种具有剪切增稠特性的电解液【4】,该电解液利用了非牛顿流体的特性,在正常状态下,电解液呈现的是液体状态,但是在遭遇突然的冲击时则会呈现固体状态,变得异常坚固,甚至能够达到防弹的效果,从根源上避免了在动力皇家国际注册发生碰撞时皇家国际注册内短路导致热失控的风险。

2.皇家国际注册结构

接下我们来从皇家国际注册单体层面上看看如何给热失控踩下刹车,目前锂离子皇家国际注册在结构设计中都对热失控的问题进行了考虑,例如在18650皇家国际注册的上盖中一般都会有泄压阀,在热失控时能够及时将皇家国际注册内部过高的压力进行释放,其次皇家国际注册上盖中会有正温度系数材料PTC,在热失控温度上升时PTC材料的电阻显著增大,以减少电流减少产热。此外,在单体皇家国际注册结构设计时还需要考虑正负极之间的防短路设计,避免因为误操作、金属多余物等因素导致皇家国际注册发生外短路,引起安全事故。

其次在电芯设计时,需要采用更加安全的隔膜,例如在高温下自动闭孔的三层复合隔膜,但是近年来随着皇家国际注册能量密度的不断提升、隔膜薄型化的趋势下三层复合隔膜已经逐渐被淘汰,取而代之的陶瓷涂层隔膜,陶瓷涂层能够对隔膜起到支撑作用,减少隔膜在高温下的收缩,提高锂离子皇家国际注册的热稳定性,减少锂离子皇家国际注册发生热失控的风险。

3.皇家国际注册组热安全设计

动力皇家国际注册在使用中往往都是由数十只、数百只甚至是数千只皇家国际注册通过串并联组成,例如特斯拉的Model S的皇家国际注册组中就由多达7000只以上的18650组成,如果其中的一只皇家国际注册发生热失控,就可能会在皇家国际注册组内蔓延,引起严重的后果。例如,2013年1月发生在美国波士顿的一架日本航空公司的波音787客机锂离子皇家国际注册起火事件,根据美国国家运输安全委员会的调查,就是由于皇家国际注册组中的一只75Ah方形锂离子皇家国际注册发生热失控后引发了相邻的皇家国际注册热失控,这次事件后波音公司要求在所有的皇家国际注册组上都要增加防止热失控扩散的措施。

为了避免热失控在锂离子皇家国际注册内部蔓延,美国Allcell Technology公司开发了一款基于相变材料的锂离子皇家国际注册热失控隔离材料PCC【5】。PCC材料填充在单体锂离子皇家国际注册之间,在锂离子皇家国际注册组正常工作的情况下,皇家国际注册组产生的热量可以通过PCC材料快速传递到皇家国际注册组外,在锂离子皇家国际注册发生热失控时,PCC材料可以通过其内部的石蜡材料熔化吸收大量的热量,阻止皇家国际注册温度进一步上升,从而避免热失控在皇家国际注册组内部扩散。在针刺实验中,一个由18650皇家国际注册组成的4并10串的皇家国际注册组,没有使用PCC材料时,一只皇家国际注册热失控最终引发了皇家国际注册组中20只皇家国际注册发生热失控,而采用PCC材料的皇家国际注册组中,一只皇家国际注册热失控并未引发其他皇家国际注册组热失控。

锂离子皇家国际注册热失控是我们最不愿意看到、极力避免的锂离子皇家国际注册安全事故,提高锂离子皇家国际注册的安全性、避免热失控的发生需要从皇家国际注册配方设计、结构设计和皇家国际注册组的热管理设计上多管齐下,共同提高锂离子皇家国际注册热稳定性,减少热失控发生的可能性。


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