隨著特斯拉電動(dòng)汽車的日漸普及，使得人們對(duì)電動(dòng)汽車的認(rèn)知也發(fā)生了翻天覆地的變化。電動(dòng)汽車逐漸成為了高端汽車的象征，眾多汽車廠家開發(fā)的概念車型正逐漸朝著智能化、電動(dòng)化的方向進(jìn)行發(fā)展。以特斯拉為例，其搭載的無(wú)人駕駛技術(shù)，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單的駕駛功能，而其充滿電后行駛里程已足以與汽油車相媲美。特斯拉的電池組是由數(shù)千只18650或21700電池組成，單單是電池組管理就是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)，為了降低電池組管理的難度，電動(dòng)汽車一般采用大容量單體電池，減少電池組內(nèi)單體電池的數(shù)量，從而降低電池組的管理復(fù)雜程度，例如一些電動(dòng)汽車上甚至采用單體容量50Ah，甚至是100Ah的大容量單體電池。與容量較小的18650/21700電池相比，大容量的單體電池不僅在結(jié)構(gòu)上更加復(fù)雜，由于單體電池所蘊(yùn)含的能量更大，大容量電池在發(fā)生熱失控時(shí)電池的行為也與小電池有所區(qū)別。因此，為了完善大尺寸電池組的熱管理設(shè)計(jì)，需要對(duì)大容量電池的熱失控行為特點(diǎn)全面而深刻的認(rèn)識(shí)。
對(duì)于電動(dòng)汽車，安全性是需要優(yōu)先考慮的因素，特別是在發(fā)生碰撞等危險(xiǎn)情況時(shí)，需要確保駕乘人員的安全，因此需要確保電池組在受到擠壓、針刺等極端情況下不發(fā)生起火和爆炸。今天，小編就和各位朋友一起探討大尺寸電池在受到擠壓時(shí)的熱行為特點(diǎn)。
隸屬美國(guó)國(guó)家能源部的橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Hsin Wang等人對(duì)大尺寸的電池在擠壓情況下的熱失控行為特點(diǎn)進(jìn)行了研究，試驗(yàn)中采用的電池厚度達(dá)到6.5mm，單體容量為25Ah，擠壓測(cè)試采用了直徑為1英寸（25.4mm）的不銹鋼球，研究顯示該電池在擠壓深度達(dá)到0.25英寸時(shí)就會(huì)發(fā)生熱失控，導(dǎo)致電池起火燃燒，拆解研究顯示，隔膜變薄導(dǎo)致短路時(shí)引起熱失控的主因。
該研究顯示單個(gè)電池與三個(gè)電池疊放在一起對(duì)于壓力的響應(yīng)是十分不同，單個(gè)電池對(duì)于壓力的載荷vs時(shí)間曲線如下圖所示，在開始的10-20s呈現(xiàn)的是非線性響應(yīng)，隨后出現(xiàn)了一段線性響應(yīng)，一旦下壓停止，由于電極層的恢復(fù)，載荷也隨之緩慢下降。
三只電池疊放在一起的載荷vs時(shí)間曲線如下圖所示，從圖上可以看出由于三只電池疊放在一起，提供了很大的緩沖，因此在開始變形量較小時(shí)，加在電池上的載荷十分?。?lt;50磅），從Step 4開始，變形量達(dá)到0.1英寸時(shí)，電池才開始產(chǎn)生較大的線形載荷，同時(shí)我們也從兩圖中注意到在相同的變形量下，三只電池疊放在一起時(shí)電池受到的載荷明顯要小于單只電池受到的載荷。進(jìn)一步的研究顯示，當(dāng)三只電池疊放在一起時(shí)，電池最大的變形量可以達(dá)到單個(gè)電池厚度的90%。
通過對(duì)擠壓試驗(yàn)后的電池進(jìn)行拆解，拆解后的隔膜圖片如下圖所示，從圖上可以看到隨著變形量的增大，隔膜逐漸變薄，同時(shí)由于隔膜在橫向和縱向上的強(qiáng)度不同，使得壓痕呈現(xiàn)橢圓形而不是圓形，該結(jié)果顯示隔膜變薄可能是導(dǎo)致擠壓試驗(yàn)中電池短路發(fā)生的主要原因。
為了研究造成擠壓試驗(yàn)中電池短路的原因，Hsin Wang利用FEM軟件對(duì)電池的擠壓造成的熱失控進(jìn)行了研究。模型分別對(duì)單只電池和三只電池疊放在一起的情況進(jìn)行了研究。Hsin Wang采用MAT-63材料模型對(duì)電極進(jìn)行了模擬，擠壓球采用了剛性球模型，接觸點(diǎn)則采用了實(shí)體接觸模型，摩擦系數(shù)為0.3，具體模型如下圖所示。
多層電極的特性通過下式，根據(jù)正極、負(fù)極和隔膜的特性計(jì)算而得，其中E和v分別是彈性模量和體積分?jǐn)?shù)。
對(duì)擠壓試驗(yàn)中單個(gè)電池和三個(gè)電池疊放模型進(jìn)行模擬的曲線如下圖所示，其中左邊的為單只電池，右邊的為三只電池疊放在一起，從圖上可以看到模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果十分接近。由于三只電池疊放在一起，單只電池受到的載荷明顯減小。
模型重現(xiàn)了在擠壓試驗(yàn)過程中短路發(fā)生的全過程，首先在擠壓的作用下，隔膜開始發(fā)生形變，當(dāng)隔膜發(fā)生足夠大的形變時(shí)，隔膜失效，導(dǎo)致正負(fù)極之間發(fā)生短路接觸，導(dǎo)致起火。研究顯示，隔膜失效的應(yīng)變可達(dá)0.65，這要取決于隔膜的特性。
Hsin Wang的研究揭示了導(dǎo)致電池在擠壓試驗(yàn)中失效的主要原因：隔膜變薄，導(dǎo)致正負(fù)極接觸。因此預(yù)防擠壓導(dǎo)致的短路重要方向是提高隔膜的性能，在較大的形變下不失效。
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Progressive mechanical indentation oflarge-format Li-ion cells, Journal of Power Source, 341(2017), Hsin Wang, et.al
文/憑欄眺
