钜大LARGE | 点击量：646次 | 2022年12月12日
欧阳明高团队研究：高速摄像机观察方形动力锂电池热失控喷射过程
方形动力锂离子电池一般有fuse(熔断丝)、(OverchargeSafetyDevice，过充保护装置)和vent(防爆阀)三大安全设计要素。fuse会在电池短路时断开起到保护用途。OSD和vent都是受电池内部压力驱动，过充状态下电池内部大量产气导致OSD启动造成电池正负极短路、fuse熔断，当电池内部压力进一步增大时vent爆开释放压力防止电池发生爆炸。
电池在内短路和过充、加热等滥用条件下存在热失控风险。有关方形动力锂离子电池，除了爆炸等极端案例，热失控最常见的现象是vent爆开、大量烟雾和火焰从vent喷出。由于vent爆开时电池内部压力已经很大(一般大于0.8MPa)，电池热失控过程极为迅猛，通过一般的视频记录已经无法了解其具体过程。最近，来自清华大学欧阳明高团队的王贺武德等人利用最大拍摄频率为10帧/秒的高速摄像机深入研究了NCM622电池在中等SOC下热失控vent爆开、内容物喷发过程，进一步加深了对电池热失控的认识。成果以“锂离子动力锂离子电池中等荷电状态下热失控产物喷射过程研究”为题发表在最近的《储能科学与技术》上。
图文浅析：
试验所用的方形动力锂离子电池信息详尽如表1所示。电池为NCM622/石墨体系，标称容量50Ah，标称电压3.65V，重量900g，电池工作电压区间为2.75-4.25V。电池壳体材料为铝合金，vent为键槽型，长度22.4mm，宽度12.4mm，vent启动压力约为0.5MPa。
图1.试验装置示意图。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
如图1所示，为了研究了电池热失控喷射过程，作者设计了一套耐高压的密闭试验装置。高压密闭容器的容积为230L，能承受的最大压力为2MPa。电池放置在绝缘板上，功率为5kW的电加热器同绝缘加热板有一定距离，电加热器通过加热空气以实现对电池的加热最终触发热失控。高速摄像机在辅助光源帮助下对电池热失控喷射过程进行拍摄，摄像机最大拍摄帧率为10万帧/秒。容器内含温度传感器和压力传感器，其中温度传感器T1和T2监测电池热失控射流区温度，T3监测环境温度，T4和T5监测电池本体温度，P1用于监测容器内部压力。为了防止电池热失控可能造成的仪器损坏和喷射物燃烧、爆炸问题，试验时电池处在50%SOC，同时容器内为N2气氛。容器内初始压力为0.02MPa，稍高于环境大气压力。
图2.喷发流外形轮廓演变过程。
图2上图为喷发流在不同时刻的灰度图像，下图为经过滤波等解决后的轮廓图像。可以看到最开始喷发流从vent两侧流出时外轮廓为带状(图2a和图2f)，随后在vent上方形成上小下大的锥形外轮廓(图2b和图2g)。随着时间的推移，喷发流外轮廓变成无定型(图2c和图2h)，随后又变成上大下小的倒锥形(图2d和图2i)，最后慢慢消失(图2e和图2f)。图2展示的初始0.4s内喷发流的演化过程，从外轮廓的变化可以看到喷发流的波动，声明喷发过程并不稳定。
图3.喷发流相态的变化。
图3给出了喷发流灰度图像的变化过程，灰度值的变化反映了流体性质包括相态的改变。在第一次喷射过程中，射流段灰度值总体上呈现出先减小后新增再减小的趋势。随着电池温度升高，电池内部压力在电解液蒸气与内部产气的共同用途下逐渐达到vent开启压力。此时，受制于电解液饱和蒸气压的限制，电池内部电解液紧要存在形式为液态。在射流初期，由于内部压力极高，高速气流萌生的剪切力携带液态电解液喷发而出并雾化，灰度值偏亮，而且此时较大的剪切力有可能抛射出固体颗粒（图3a）；随着电池内部压力降低，大量电解液以液态的形式喷发而出，并携带电池内部黑色絮状物，灰度值偏暗（图3b）；该电池电解液中紧要成分碳酸甲乙酯和碳酸二乙酯在常压下沸点分别为107℃和126℃，在vent开启后，电池由密闭系统转变为开口系统，此时电池温度远高于电解液沸点，因此在电解液喷发的过程中内部电解液迅速蒸发，形成新一轮的喷发，此时为雾状喷发产物的喷出，灰度值偏亮，夹带着破裂的固态隔膜（图3c）；当电解液消耗殆尽时，第一次喷射过程衰减，随着电池内部产气反应维持射流状态，此时可以观察到气体、液体混合喷发的特点，灰度值接近背景的灰度值（图3d）。由此可见，整个第一次喷射过程中射流出现了气、液、固三种相态，因此锂离子电池热失控产物喷发是一种复杂的多相的瞬态射流。
图4.vent启动过程。
vent是方形电池中的紧要安全结构件，了解其微观启动过程可以更好地对其进行设计。在电池内部不断升高的压力用途下，vent先在一侧打开，另外一侧与电池还保持连接状态。从vent刚刚打开（图4a）到vent大部分打开（图4d），历经了0.4ms的时间。在此过程中，倾覆在电池安全释放阀上方的透亮防尘保护塑料薄膜已有变形，这是由于来自电池传热、热气流的加热用途。在初期喷发流的压力用途下，保护膜中心位置变形显著，呈现球型凸起，随着压力的升高和变形的加剧，保护膜完全脱离电池安全释放阀表面，并在气流的用途下与电池本体剥离（图4d）。
小结：利用高速摄像机观察电池热失控过程是很好的研究，相信后续可以得到更多的有益结果。不过依据以往的加热触发电池热失控的相关经验来看，该研究所采用的加热方式所耗费的时间应当非常长。此外，在压力容器中探测还可以得到电池热失控产气速率、产气量等信息，对后续系统设计有帮助。最后还有个很有意思的问题：电池热失控时喷发流的喷出速度到底是多少呢？高度会达到多少？
上一篇：新型锂电池发展
