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    歐陽明高院士團隊電池安全研究:形狀記憶合金法觸發電池內短路

    2019-03-05   

    中國電源產業網

    導語:內短路是動力電池安全研究中極為重要的課題之一。當前電池企業多采用針刺手段觸發內短路考察電池安全,但針刺實驗重復性差,因此亟需開發可控、重復性好的內短路研究方法。此前,NASA、UL等研究機構均提出了不同的內短路研究方法,而國內在這一領域的聲音很小,同中國在國際鋰離子電池中所占據的地位極不相符。清華大學歐陽明高院士團隊在電池安全領域研究多年,碩果累累,享譽業界。針對電池內短路研究,該團隊創造性的提出利用形狀記憶合金對溫度敏感的特性,將形狀記憶合金內置于電池內部進而實現可控的電池內短路研究。成果以Internal Short Circuit Trigger Method forLithium-Ion Battery Based on Shape Memory Alloy為題發表在老牌電化學刊物Journal of The Electrochemical Society上。

    內短路是動力電池安全研究中極為重要的課題之一。當前電池企業多采用針刺手段觸發內短路考察電池安全,但針刺實驗重復性差,因此亟需開發可控、重復性好的內短路研究方法。此前,NASA、UL等研究機構均提出了不同的內短路研究方法,而國內在這一領域的聲音很小,同中國在國際鋰離子電池中所占據的地位極不相符。清華大學歐陽明高院士團隊在電池安全領域研究多年,碩果累累,享譽業界。針對電池內短路研究,該團隊創造性的提出利用形狀記憶合金對溫度敏感的特性,將形狀記憶合金內置于電池內部進而實現可控的電池內短路研究。成果以Internal Short Circuit Trigger Method forLithium-Ion Battery Based on Shape Memory Alloy為題發表在老牌電化學刊物Journal of The Electrochemical Society上。

    圖文淺析:

    一.四種內短路模式和實驗使用的形狀記憶合金

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    圖1. (a)鋰離子電池結構示意圖;(b)四種常見的電池內短路模式。

    依目前的認識,電池內短路模式可簡單分為四種:正極-負極短路、正極-Cu集流體短路、Al集流體-負極和Al集流體-Cu集流體。以上四種內短路模式中,正極-負極短路最為常見,但一般認為最為危險的是Al集流體-負極短路。具體解釋可見Analysis of internal short-circuit in a lithium ioncell,Journal of Power Sources 194 (2009) 550–557。

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    圖2. 實驗所用的形狀記憶合金:(a)(c)低溫下的平面示意圖和真實圖像;(b)(d)高溫下的平面示意圖和真實圖像。

    圖2所示為實驗所用的形狀記憶合金。在低溫條件下該合金三角區域保持水平,在高溫下三角箭頭上翹泛起。在電池制過程將該合金置于電池內部特定位置,通過加熱即可讓該合金作用,三角箭頭翹起觸發電池內短路。

    二.實驗用的小軟包電池及形狀記憶合金對電池電性能的影響

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    圖3. 形狀記憶合金置于電池內部過程圖。

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    圖4. 形狀記憶合金對電池內阻和容量的影響。

    為了檢驗以上形狀記憶合金觸發內短路的效果,作者利用容量1 Ah的NMC小軟包電池進行了驗證,小軟包電池具體信息見表1,形狀記憶合金布置過程如圖3所示。值得指出的是,可根據實驗需要將形狀記憶合金放置在合適的位置,四種內短路模式均可實現。此外,形狀記憶合金的引入對電池內阻和容量均沒有影響(圖4)。

    三.形狀記憶合金觸發電池Al集流體-負極短路

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    圖5. 形狀記憶合金觸發電池Al集流體-負極短路過程電壓和電池外表中心溫度變化。

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    圖6. 小軟包電池Al集流體-負極短路過程圖像。

    Al集流體-負極之間的短路是四種經典短路模式中最容易導致電池發生熱失控的。為此,作者利用形狀記憶合金對該短路模式下電池的特征進行了研究。實驗在保溫箱中進行,當箱內溫度達到70 ℃時形狀記憶合金起作用導致電池發生Al集流體-負極短路。從圖5中的兩次實驗的電壓和溫度曲線看,電池熱失控最高溫度分別為383 ℃和393 ℃,曲線規律也有良好的重復性。圖6中可以看到Al集流體-負極短路導致軟包電池先發生膨脹,隨后噴射大量活性,最后冒出濃煙。

    四.形狀記憶合金觸發電池正極-負極短路

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    圖7. 形狀記憶合金觸發電池正極-負極短路過程電壓和電池外表中心溫度變化。

    如上前文所述,正極-負極短路是四種經典短路模式中相對輕微的,為此作者同樣利用形狀記憶合金對該短路行為進行了研究。從圖7的電壓和溫度曲線可以看到,正極-負極短路后電池電壓呈緩慢降低趨勢,且電池表面最高溫度不超過80 ℃,同Al集流體-負極短路的電壓迅速降低、溫升高達390 ℃左右既然不同,證實了以往經典短路模型危險性排序的正確性。同時從電壓和溫度曲線變化趨勢上同樣可以看出該方法的良好重復性。

    五.針刺觸發電池正極-負極短路

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    圖8.對同樣的小軟包電池進行針刺實驗結果。

    為了進一步說明利用形狀記憶合金方法觸發電池內短路的優勢,作者利用傳統使用的針刺方法對電池進行了三組測試。如圖8所示,三組測試的結果差異性挺大,三組電池中僅有組3發生了熱失控,實驗的重復性遠低于本研究提出的形狀合金方法。

    論文信息:

    Mingxuan Zhang, Jiuyu Du, Lishuo Liu, Anna Stefanopoulou, Jason Siegel,Languang Lu, Xiangming He, Xiaoyi Xie, Minggao Ouyang. Internal Short CircuitTrigger Method for Lithium-Ion Battery Based on Shape Memory Alloy.Journalof The Electrochemical Society, 164 (13) A3038-A3044 (2017)

    文/頭上長樹杈

    來源:頭上長樹杈

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