欧阳明高:动力电池热失控机理及防控研究进展

字号+ 作者:车价查询网 来源:互联网 2019-06-24 09:07 我要评论( )

进入2019年4月以来,电动汽车燃烧事件频频发生。特斯拉在上海、中国香港、旧金山、比利时等地接连发生车辆自燃事件,而蔚来ES8亦在短短两个月内出现了三次自燃事故。此外,根据国家市场监督总局的数据显示, 2018年,我国至少发生了40起涉及电动汽车的火灾事故。为此,电动汽车尤其是动力电池安全问题引发行业高度关注,而动力电池安全本质则是电池热失控。

那么导致动力电池热失控的主要原因有哪些?而对于电池热失控情况下?针对此,6月23日,在由青海省人民政府、工业和信息化部、科学技术部、中国电动汽车百人会主办的“中国(青海)锂产业与动力电池国际高峰论坛”上,中国科学院院士、中国电动汽车百人会执行副理事长欧阳明高进行了详细阐述。

电动汽车,电池,动力电池热失控

中国科学院院士、中国电动汽车百人会执行副理事长 欧阳明高

据了解,为了解决动力电池安全问题,欧阳明高所在单位清华大学较早建立了电池安全实验室,开展动力电池安全防控研究。实验室在不断测试过程中,提炼出了电池热失控的三个特征温度,自生热的起始温度T1和热失控的触发温度T2,以及热失控的最高温度T3。并基于这些测试全面揭示了三种热失控触发机理:第一种是负极析活性锂,第二种是内短路,第三种正极释活性氧。

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基于这三种热失控机理,发展了动力电池热失控主动安全防控技术,包括电池充电析锂与快充控制、电池内短路与电池管理、单体电池热失控与热设计,电池系统热蔓延与热管理。以下是欧阳明高教授对于这四部分的详细讲解。

电池充电析锂与快充控制

近期发生的充电事故的分析表明,主要是不当快速充电或过充引发电池析锂,导致热失控温度大幅度下降,从219℃下降到107℃,并与电解液剧烈反应,导致电池在107℃发生热失控。

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通过实验表征发现,在快充的时候能够明显看出析锂的产生,并通过对析锂机理进行研究,发现了析锂的完整过程,包括电池充电过程负极表面锂析出和重新嵌入,析出过程就是负极零电位之后形成,在电池停止充电之后,电位会恢复到零电位以上,这个时候会重新嵌入,然后所有的可逆锂均完全溶解,负极不再发生反应。

我们对这个机理建立了仿真模型,在常规电池准二维(P2D)模型基础上加入析锂反应的过程,并在此基础上,进行了仿真和验证。从仿真结果看,可以成功模拟充电析锂后电池静置过程中的电压平台,这个平台是重新嵌入的过程。对上述电压平台进行微分处理,可以定量得到整个析锂全过程的时间。以这个时间为一个变量,我们可以建立经验公式计算出析锂量。

在此基础上,我们进行了无析锂安全快充研究。

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首先,建立了准二维电化学机理模型,用于预测负极电位,并以此为基础得到最优充电曲线的解析表达式,接着以充电负极定位为一个基准,加一个冗余量,可以推导出电池最优的充电电流。以此为基础,我们可以进行最优充电的控制,以基于模型的负极电位观测器为基础,可以把负极电位观测出来的电位,跟参考电位进行比较,通过调整充电电流使这个电位差趋于零可以实现无析锂的快充。

上述模型会随着电池的衰减,形成误差,模拟结果可能不一定准确。所以,我们在此基础上开发新型的参比电极,直接反馈负极电位,传统参比电极寿命极短,我们开发了新型的参比电极,寿命超过5个月,并且还在继续优化,希望参比电极的使用寿命尽可能延长,真正做到能够作为传感器使用。在没有实现装车传感器应用之前,我们应用于充电算法的标定,可以节省大量时间,因为传统的充电算法标定每次都要拆解观测,应用参比电极之后可以不用拆解,高效率优化充电算法。目前国内公司的充电算法都过于简单,我们跟日产进行过交流,其充电算法是基于大量数据MAP图进行的,所以我们必须也要做好MAP图,使充电算法能够考虑各种各样的影响因素,这个过程的工作量和实验量是非常大的。为了解决这个问题,应用长寿命的参比电极,以此为基础标定出尽量接近于最优充电电流的充电曲线。

电池内短路和电池管理

内短路是电池热失控的共性环节,各种各样的原因都可能产生不同类型的内短路,包括机械变形、挤压、撕裂,隔膜破裂、过充过放、极端过热。更危险的一种内短路是自引发内短路,如波音787的事故,是在制造过程中引入的杂质和颗粒,在长期运行之后累积演变发生的。

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枝晶生长是可以模拟的,而内短路是较难进行实验再现的现象,需要发展各种各样的替代实验方法。我们发明了一种新的替代实验方法进行内短路的模拟测试,主要是将特制的具有尖刺结构的记忆合金内短路触发元件植入电池内部,升温使尖刺结构翘起并刺穿隔膜,模拟内短路过程。通过该实验发现主要的内短路类型包括,铝-铜、正极-铜、铝-负极、正极-负极等四种电路。其中有的是立即发生热失控,如铝和负极的接触;而正极和负极接触一般不会发生热失控;铝和铜接触的危险程度也比较高,但是不一定马上引发内短路。

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