NASA航天锂离子电池热失控分析

说起锂离子电池大家都不陌生，我们几乎每天的生活都离不开锂离子电池的支持，在我们点亮手机屏幕的瞬间，正是来自锂离子电池的能量驱动液晶屏幕发出光子，显示图像。随着电子设备的快速普及，我们周围越来越多的电子设备开始使用锂离子电池提供能源，手机、笔记本、ipad都使用锂离子电池作为储能电源，试想一下，如果我们周围环绕着各种类型的锂离子电池，我们最关心的是什么呢？当然是安全性，我们可不想锂离子电池像一颗定时炸弹一样，随时威胁着我们的生命和财产安全，特别你还会把这颗定时炸弹放在裤兜里。

国际上，以SAFT为代表的空间电源供应商，已经开始将锂离子电池在航天领域的大规模应用，由于航天的特殊性，空间电源对锂离子电池的安全性和可靠性有着严格的要求，特别是载人航天领域，对电源系统可靠性和安全性的要求近乎苛刻。对于锂离子电池来说最严重的安全问题就是热失控，何为热失控呢，简单的说就是电池的产热速率远高于散热速率，导致大量的热量在锂离子电池内部积聚，引起SEI膜，正极材料的分解，电解液氧化导致锂离子电池起火和爆炸，引发严重的安全问题。因此对于锂离子电池来说，热失控的机理研究就尤为重要，特别是对于载人航天领域。今天小编就带大家看以下美国国家特种航天局（NASA）对于锂离子电池热失控的起因和机理的研究报告。

目前包括国际空间站的储备能源系统和宇航员的舱外活动装置等都采用了锂离子电池作为储能电源，对于载人航天，NASA优先考虑的就是安全性，如何避免锂离子电池热失控以及抑制热失控在电池之间的传播，保障宇航员的安全是NASA需要优先考虑的问题，因此NASA设计了一种“标准加速量热法，用以研究锂离子电池的热失控反应，该方法可以准确的测量锂离子电池在热失控中所释放的热量，为锂离子电池的热管理系统设计提供了重要的依据。

NASA选取了三种电池进行了测量，分别是美国波士顿BostonPowerSwing5300电池，三星18650-26F电池和Molicel的18650-J电池。选择着三种电池主要基于三种不同的空间应用需要：1）机器人助手R2的电源供应；2）EVA舱外活动可拆卸式可充电电池；3）EMU舱外活动装置长寿命电池。

锂离子电池在热失控的过程中由于锂离子电池会向系统释放高温喷出物和气体，导致锂离子电池的重量减小，因此传统的加速量热法采集电池本身温度的方法，并不能准确统计在热失控中锂离子电池的释放的热量，因此NASA的工程师在锂离子电池的外部增加了一个密封外壳，避免了高温气体的外泄，并利用上述装置测量了具有50%和100%SOC状态的三种电池。

测试结果显示，电池的SOC状态与锂离子电池热失控有着密切的关系，SOC状态越高，热失控的诱发温度越低，例如在100%SOC下，三种电池的热失控诱发温度都在100℃左右，而50%SOC状态下，电池的热失控诱发温度则要140℃左右。在100%SOC状态下，BP的5300电池的热失控最高温度要明显低于18650电池，这主要得益于5300电池采用了铝壳，能在较低的压力下就释放压力，阻断温度的进一步积累。对比三种电池在热失控过程中所释放的能量可以发现，由于BP5300电池的质量较大，100%SOC状态下所释放的能量达到98.6kJ，是其他两种18650电池的两倍。研究还发现锂离子电池在热失控中释放的能量要高于电池满电状态下电池所储存的电化学能量，例如BP5300电池100%SOC时储存的能量为69.7kJ，但在热失控中却释放出了98.6kJ的能量，这主要是在热失控状态下锂离子电池正极、负极，以及溶质盐和电解液之间发生的反应释放了大量的化学能，例如在18650电池中，不计算电解液燃烧的释放的能量，仅分解反应所释放的能量可以达到29-49kJ，而计算电解液燃烧所释放的能量，一只18650电池就可以释放119-175kJ的能量。为了量化这一数据，NASA的工程师设计了一个新的参数，？E=Eexperiment/Estore，既实验释放的能量与电池中所存储的电化学能之间的比值，对于100%SOC的电池，这一值一半为1.0-1.6之间，50%SOC的电池，这一值一半在1.3-1.9之间，一种电池的？E值对于电池系统的热管理具有重要的意义。

NASA工程师所设计的“标准量热法能够更加准确的测量锂离子电池在热失控过程中所释放的能量，研究结果显示锂离子电池的SOC状态与热失控的诱发温度和释放的能量具有密切关系，SOC状态越高，热失控的诱发温度越低，释放的能量越多。热失控参数？E表征了锂离子电池热失控释放的能量与其所储存能量的比值，对锂离子电池的热管理系统设计具有重要的意义。

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Energydistributionsexhibitedduringthermalrunawayofcommerciallithiumionbatteriesusedforhumanspaceflightapplications，JournalofPowerSource，329(2016)，SandeepYayathi，et.al