前言

9系超高鎳三元鋰離子電池是指正極材料元素比值為Ni:Co:Mn=9:0.5:0.5的三元鋰離子電池，作為短期內(nèi)已經(jīng)將鋰電池正極材料的潛力發(fā)揮到zui\大的方案，9系鋰電池的理論能量密度甚至超過了300Wh/kg。

由于9系鋰電池具有超高的能量密度，受到了致力于提高新能源汽車?yán)m(xù)航里程的主機(jī)廠的密切關(guān)注。但高能量密度伴隨著潛在的高危險(xiǎn)性，因此獲得9系電池的熱失控特征參數(shù)尤為重要，但是9系鋰電池的熱失控過程非常劇烈，有較大概率會(huì)損傷儀器，因此9系鋰電池的絕熱熱失控實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)十分缺乏，電池?zé)峁芾碓O(shè)計(jì)也缺少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐。

本文利用杭州仰儀科技有限公司BAC-420A大型電池絕熱量熱儀進(jìn)行了130Ah的9系NCM超高鎳鋰離子電池的絕熱熱失控測(cè)試，獲得該電池?zé)崾Э剡^程的相關(guān)熱力學(xué)特征參數(shù)等信息。相關(guān)結(jié)果有助于幫助研究人員明確9系電池的熱失控危害性，優(yōu)化電池安全設(shè)計(jì)。

實(shí)驗(yàn)部分

1.樣品準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)樣品：130Ah 9系NCM鋰離子電池*1，260mm*100mm*25mm，100%SOC。

2.實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)儀器：杭州仰儀科技BAC-420A大型電池絕熱量熱儀；

工作模式：HWS模式、溫差基線模式；

標(biāo)準(zhǔn)鋁塊：6061鋁合金材質(zhì)。

圖1 BAC-420A大型電池絕熱量熱儀

3.實(shí)驗(yàn)過程

3.1 溫差基線校正：利用與電池大小形狀一致的標(biāo)準(zhǔn)鋁塊進(jìn)行溫差基線模式實(shí)驗(yàn)，對(duì)熱電偶及儀器進(jìn)行校正；

3.2 標(biāo)準(zhǔn)鋁塊HWS實(shí)驗(yàn)：利用標(biāo)準(zhǔn)鋁塊進(jìn)行HWS模式實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證溫差基線校正的效果及實(shí)驗(yàn)過程中儀器的絕熱性能；

3.3 電池HWS實(shí)驗(yàn)：為了防止9系電池?zé)崾Э負(fù)p壞爐腔，因此在電池外部增加了如圖2所示的金屬網(wǎng)防護(hù)罩，以HWS模式進(jìn)行絕熱熱失控實(shí)驗(yàn)；

圖2 9系電池實(shí)驗(yàn)安裝示意圖及實(shí)物照片

3.4 標(biāo)準(zhǔn)鋁塊HWS實(shí)驗(yàn)：電池HWS實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，用標(biāo)準(zhǔn)鋁塊重新進(jìn)行HWS驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，用于驗(yàn)證熱失控后儀器功能是否正常及傳感器漂移程度。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3 電池絕熱熱失控(a)溫度-壓力曲線及(b)溫升速率-溫度曲線

如圖3(a)所示，電池在82.68℃下的自放熱溫升速率達(dá)到了0.02℃/min的Tonset檢測(cè)閾值；在131.67℃達(dá)到泄壓溫度Tv，泄壓閥打開；隨后在169.49℃達(dá)到熱失控起始溫度TTR (60℃/min)，電池發(fā)生熱失控，數(shù)秒內(nèi)溫度快速升高至約1090℃，zui/大溫升速率(dT/dt)max超過40000℃/min。并且通過圖4所示的抗爆箱內(nèi)外部的監(jiān)控畫面，可以發(fā)現(xiàn)電池的熱失控過程十分劇烈，在極短的時(shí)間內(nèi)噴射出強(qiáng)烈的射流火及大量濃煙，同時(shí)瞬間產(chǎn)生的高溫高壓氣流對(duì)實(shí)驗(yàn)室墻面產(chǎn)生了一定的沖擊作用。

圖4 (a)防爆箱內(nèi)部視頻及(b)防爆箱外部視頻

圖5 電池殘骸照片

通過觀察電池殘骸可以發(fā)現(xiàn)，泄壓閥位置完全崩裂，同時(shí)電池殘骸基本僅剩外部鋁殼，內(nèi)部電池材料幾乎全部從泄壓口噴出，熱失控后電池的質(zhì)量損失率達(dá)到了85.97%，也側(cè)面表明了9系電芯的熱失控劇烈程度。

圖6 電池?zé)崾Э厍?a)后(b)鋁塊HWS模式實(shí)驗(yàn)曲線

在電池實(shí)驗(yàn)前，通過標(biāo)準(zhǔn)鋁塊的HWS實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了儀器良好的絕熱性能，如圖6(a)，每個(gè)溫度臺(tái)階鋁塊的溫升速率均小于±0.002℃/min；電池測(cè)試后，為了確認(rèn)儀器能否在承受9系鋰電池的劇烈爆炸后仍然能正常使用，重新進(jìn)行一次標(biāo)準(zhǔn)鋁塊的HWS實(shí)驗(yàn)。通過圖6(b)可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)過程中儀器運(yùn)行良好，并且每一個(gè)臺(tái)階的溫升速率均低于±0.002℃/min，絕熱性能依然優(yōu)異，說明儀器功能完好，同時(shí)傳感器未出現(xiàn)明顯漂移。

結(jié)論

大容量9系超高鎳NCM鋰電池絕熱熱失控的劇烈程度高，實(shí)驗(yàn)室應(yīng)具備足夠的泄壓泄爆面積（建議50平米以上），同時(shí)實(shí)驗(yàn)室墻面應(yīng)進(jìn)行加固。

仰儀科技BAC-420A大型電池絕熱量熱儀具有優(yōu)異的耐壓和抗爆性，能夠承受大容量超高比能電芯的熱失控爆炸沖擊。