动力电池常温过充和绝热过充对比

研究背景：

对于关注电池安全的人而言，2019年注定是不平凡的一年，原因有三：首先，上半年发生了多起知名品牌(特斯拉、蔚来、吉利等)电动汽车起火事故，社会关注度极高；其次，CATL NCM811电池正式从量产供货，吉利几何A、广汽Aion S、小鹏G3（2020）等多款车型均将搭载NCM811电池包；第三，《电动汽车用动力蓄电池安全要求》报批稿已送审WTO并将很快发布。孟子说鱼和熊掌不可兼得，对于还使用有机电解液的锂离子动力电池，在目前的技术背景下对电池能量密度的疯狂追求大概率意味着电池安全性的牺牲。

电池安全始终是相对的，并没有绝对意义上的安全。在正常安全边界内，电池使用的安全性是可以得到充分保证的；但在极端滥用(如过充、针刺、过放、加热等)条件下，电池发生热失控是大概率事件甚至是必然。因此，企业内电池安全工程师的一大职责就是研究电池在各种极端滥用条件下的失效机理及表现，在综合考虑电池使用性能和成本的前提下尽可能提高电池极端滥用条件下的热失控门槛，将热失控的可能性进一步降低。在各种滥用测试中，过充是相对较为苛刻的，特别是对于NCM811体系电池而言，按照GB/T31485进行过充测试起火爆炸更是司空见惯。

Ahmed Abaza2017年毕业于华威大学，博士期间就和捷豹路虎的电池研发工程师Ronny Genieser一起开展动力电池滥用安全研究，17年毕业后以高压电池工程师加入捷豹路虎工作。Abaza博士期间研究重点关注针刺、外短路、过充，其博士论文在网上能找到，感兴趣的朋友、特别是刚开始接触动力电池安全研究的朋友可以去本文最后面的链接进行下载。在Ahmed Abaza的博士论文中，有一章节就是对比动力电池常温过充和绝热过充。一般电池安全测试过充均在常温进行，绝热过充相对较为少见，因此该结果具有一定的参考价值，特此分享。

图文浅析：

一．基本信息

表1.实验所用电池信息。

图1.电池绝热过充测试布置图。

如表1所示，实验所用电池为15 Ah LMO-NMC混合正极的软包电池，电池正常电压范围为2.7-4.2 V。电池绝热过充是在ARC绝热量热仪器中进行，如图1所示，过充测试时电池未带夹具进行约束处理。过充测试的截止条件为电池电压达到7.9 V。

二．常温过充

图2.电池常温过充结果对比：(a) 1.0 C过充；(b) 0.13 C过充。

如图2所示，1 C常温过充约40 min电池电压达到7.9 V，而0.13 C常温过充则需要约750 min电池电压才达到7.9 V，750 min/40 min=18.75>1 C/0.13 C=7.69，表明过充倍率对电池的过充行为表现有重要影响，且该影响并非简单的线性关系。从电池表面温度上看，1 C过充全程电池表面最高温度在70 ℃，而0.13 C过充最高温度不超过40 ℃，电池都没有发生热失控。另外，值得注意的是，无论是1 C过充还是0.13 C过充，电压电池都是先上升随后在5.0 V左右类似出现平台的现象，最后电压快速升高至7.9 V截止。考虑到过充过程电流值都是恒定的，作者认为5. 0V左右的平台区是电池产气鼓胀导致内阻增大和析锂短路的综合结果，而后续电压快速阶跃至7.9 V则是电池产气严重、内阻显著增大占据主要因素的结果。

图3.电池常温过充结果对比。

如图3所示，如果以SOC作图，可以看到1 C过充电池在160%SOC即达到7.9 V截止条件，而0.13 C过充电池在约270%SOC才达到截止条件。同图2类似，过充电流越大，电池电压和表面温度升高越明显，并且并非简单的线性关系。鉴于目前常规的NCM体系软包电池1 C过充极易发生热失控，以上测试结果也表明过充测试的最终结果不仅取决于充电倍率，同时也取决于电池的化学体系、尺寸和容量等。

三．绝热过充

表2.不同倍率绝热过充结果汇总。

图4.(a) 电池0.13 C过充后照片；(b)电池0.33 C和1.3 C过充后照片。

图5.电池不同倍率绝热过充结果对比。

与常温过充不同，绝热过充电池内部产热完全无法散出，电池的热累积现象更为严重。如表2和图5所示，1.3 C、0.33 C和0.13 C过充电池电压达到7.9 V截止的时间分别为58 min、237 min和602 min，虽然时间不同但从过充额外容量上算三者的都是极为接近的(19-20 Ah)，电池失效SOC在230%SOC附近，这与电池常温过充的非线性有较明显区别。此外，在常温过充中，论是0.13 C还是1 C过充电池均只有鼓胀而没有发生热失控，但在绝热过充条件下0.33 C和1 C过充电池在静置过程均发生了起火，0.13 C过充电池发生了破口。这也表明相较于常温过充，绝热过充测试条件更为苛刻和恶劣，电池更容易发生热失控。

图6.电池不同倍率绝热过充结果对比: (a) 0.13 C；(b) 0.33 C; (c) 1.3 C。

如图6所示，不同倍率绝热过充电池并非在充电阶段发生热失控，而是在后续的静置过程发生问题。0.13 C、0.33 C和1.3 C绝热过充分别在过充停止静置14 min、49 min和48 min电池发生起火或者破口。

四．小结

Ahmed Abaza博士阶段所做的过充测试能给我们以下信息：

(1)影响过充测试最终结果的因素很多，散热条件、充电倍率、电池化学体系等都会对结果产生影响，测试和分析时应具体问题具体分析，切勿一概而论。

(2)常温过充由于受散热的影响，电池的表现和倍率之间并非简单的线性关系。但考虑到动力电池在实际应用中的场景，常温过充相对绝热过充更接近真实情况。

(3)绝热过充电池的失效SOC反倒较为一致，电池的表现和倍率之间有一定的线性关系，这也表明绝热过充更能反映电池本征的一些热特性。