Исследование характеристик теплового разгона литий-ионных аккумуляторов NCM9 в ходе испытаний на тепловой разгон

Обзор – Литий-ионные аккумуляторы NCM9

В данной статье рассматривается процесс теплового разгона литий-ионных аккумуляторов 9-й серии с использованием адиабатического калориметра для больших аккумуляторов (BAC-420A), что проливает свет на экстремальную природу их теплового разгона по сравнению с другими типами аккумуляторов NCM.

Введение – Литий-ионные аккумуляторы NCM9

Никель-кобальт-марганцевые (NCM) или никель-кобальт-алюминиевые литий-ионные аккумуляторы широко известны своей высокой плотностью энергии и хорошими низкотемпературными характеристиками, что делает их критически важными в сфере электромобилей и других приложений. Однако, несмотря на свои преимущества, эти аккумуляторы страдают от плохой термической стабильности. При повышенных температурах 250-300°C катодные материалы подвергаются серьезным реакциям разложения, выделяя молекулы кислорода и потенциально приводя к возгоранию электролита и взрывам аккумуляторов.

Поскольку спрос на электромобили с увеличенным запасом хода продолжает расти, производители аккумуляторов неустанно стремятся повысить плотность энергии. Этот драйв привел к эволюции литий-ионных аккумуляторов NCM от низконикелевых 3-й серии до высоконикелевых 8-й серии и сверхвысоконикелевых 9-й серии. Однако с увеличением активных металлических компонентов термическая стабильность этих аккумуляторов теоретически снижается, что повышает риск теплового разгона.

Учитывая ограниченный масштаб применения сверхвысоконикелевых аккумуляторов 9-й серии, в отрасли отсутствуют комплексные данные по тепловой безопасности. В этой статье исследуется процесс теплового разгона литий-ионных аккумуляторов 9-й серии с использованием адиабатического калориметра для больших аккумуляторов (BAC-420A), что проливает свет на экстремальную природу их теплового разгона по сравнению с другими типами аккумуляторов NCM.

Экспериментальная процедура

Подготовка образца

В эксперименте использовались литий-ионные аккумуляторы серии NCM9 пакетного типа емкостью 5 А·ч.

Условия эксперимента

Эксперимент проводился с использованием адиабатического калориметра для больших батарей Zeal Instruments (BAC-420A), оборудования для зарядки и разрядки батарей и многоканального термометра TP700. Были использованы два экспериментальных режима: режим HWS-R и базовый режим разности температур. Данные регистрировались на частотах от 1 до 100 Гц с порогом обнаружения самонагрева 0,02 °C/мин. Термопары располагались в центре большой поверхности батареи (образец термопары) и на положительном электроде (дополнительная термопара).

Результаты

Рис. 1 Тепловой разгон тройной литий-ионной батареи 9-й серии (a) кривые роста температуры и напряжения и (b) кривая зависимости скорости роста температуры от температуры

Таблица 1 Характерные параметры теплового разгона литий-ионных тройных аккумуляторов 9-й серии*

*Все указанные выше параметры рассчитываются по температуре в месте установки термопары образца; **Условие оценки Tonset составляет dT/dt = 0,02 °C/мин; ***Условие оценки TTR составляет dT/dt = 60 °C/мин.

Данные испытаний показали, что литий-ионная батарея серии NCM9 показала температуру начала саморазогрева (Tonset) 86,78 °C и температуру начала теплового разгона (TTR) 202,76 °C. Точка резкого падения напряжения в батарее близко совпала с температурой TTR. После TTR батарея продемонстрировала чрезвычайно высокую скорость подъема температуры, достигнув температуры поверхности 1109 °C в течение 2 секунд, с максимальной скоростью нагрева приблизительно 48900 °C/мин. Для сравнения, батареям 6-й серии потребовалось 70 секунд, чтобы достичь Tmax от TTR, с максимальной скоростью нагрева приблизительно 6500 °C/мин, в то время как батареям 8-й серии потребовалось 5 секунд, с максимальной скоростью нагрева приблизительно 20600 °C/мин. Это иллюстрирует, что с увеличением содержания никеля серьезность теплового разгона в батареях возрастает.

Рис. 2 (а) 6-серийные тройные кривые скорости подъема температуры-температуры и (б) 8-серийные тройные кривые скорости подъема температуры-температуры

Рис. 3 Образец литий-ионного аккумулятора (а) Видео теплового разгона и (б) Фотография полости после эксперимента

Кроме того, видео и изображения, снятые во время эксперимента, запечатлели явление сильного выброса пламени в момент теплового разгона литий-ионной батареи серии 9. Остаточный распылитель материала батареи на стенках камеры калориметра также указал на интенсивность события теплового разгона.

Заключение

Этот эксперимент, проведенный с использованием адиабатического калориметра большой батареи (BAC-420A), предоставил ценную информацию о характеристиках теплового разгона литий-ионных батарей серии NCM9. Полученные данные могут способствовать улучшению характеристик безопасности этих батарей, тем самым повышая их общую безопасность в практических применениях.

Ссылка

[1] Чжан Мэнци. Исследование характеристик теплового разгона и метода обнаружения перезаряда тройной литиевой батареи [D]. Научный руководитель: Ду Цзяньхуа. Университет Хуацяо, 2020.