关键词：
18650锂离子电池
机械滥用
热失控
失效模式
钻孔泡沫铝
摘要：
新能源汽车因在运行过程中无尾气排放、绿色环保的优点不断被推广应用,但近年来出现了许多电动汽车因发生挤压碰撞造成安全事故,引发了人们对电动汽车安全的担忧。电动汽车的推广受到安全问题的制约。动力电池作为电动汽车的核心部件,对它的安全做全面研究至关重要。由于电动汽车碰撞事故的不确定性,碰撞的形式、碰撞的速度以及电池单体的荷电状态(State of Charge,SOC)都影响电池的安全性能。本文以18650圆柱形锂离子电池为研究对象,探究了不同加载工况、SOC、加载速度对电池安全性能的影响,研究了钻孔的闭孔泡沫铝结构对电池防护的效果。锂离子电池的失效过程复杂,包含了载荷、电压、温度三者的变化。在加载过程中,利用数字示波器和红外热像仪同步记录电池的电压和温度变化,分析电池在加载过程中的失效行为。主要有以下研究内容:(1)在径向平板压缩实验中,探究SOC和加载速率对电池单体安全性能的影响。在实验选取的准静态加载速度范围内,SOC为100%的电池在平板压缩过程中均出现剧烈的热失控现象,载荷最大值、温度骤升几乎同时发生。在实验选取的SOC范围内,以SOC为60%的电池为界限,SOC≤60%的电池失效时没有发生热失控而SOC>60%的电池发生了喷火爆炸剧烈热失控现象,高SOC电池热失控时温度有明显的传递过程。峰值载荷并不是简单随着SOC单调递增,峰值载荷的大小与电池是否发生热失控也有关系。由于平板压缩中高SOC电池热失控触发就在一瞬间,将名义模量的转折点作为电池失效的预测点。不同SOC电池的名义模量-位移曲线的变化趋势也相同,名义模量的峰值出现在载荷最大值之前。压缩后的电池经机械切割,发现电池在径向压缩下的剪切破坏和局部屈服失效。(2)在径向压痕实验中,探究了不同加载速度下电池的安全性能,比较了径向平板压缩和径向压痕两种工况下电池的安全性能。在所选准静态速度范围内,电池的载荷-位移曲线变化趋势一致,在压缩位移为4.3 mm附近,存在载荷-位移变化的转折点,后期变化速度较快,将该转折点作为电池失效的预测点。电池在径向压痕实验下载荷最大值、温度骤升几乎同时发生。分析电池在压痕实验下的失效过程,发现径向压痕下的电池因电池发生剪切破坏失效。与径向平板压缩相比,径向压痕实验是对电池局部加载,径向平板压缩是对单体电池整体进行加载,这两种工况下电池均出现起火爆炸等剧烈的热失控现象,但径向压痕下电池的最大载荷远低于径向平板压缩下的电池。(3)在电池轴向压缩实验中,研究了加载速度和SOC对电池安全性能的影响,分析轴向压缩载荷下电池的失效过程,讨论了电池在轴向加载和径向平板压缩下的异同。在实验选择的准静态加载速度范围内,电池的载荷-位移曲线类似;在实验采用的SOC取值范围内,电池在轴向压缩过程中电压均出现台阶式下降,直至完全短路。峰值载荷随着SOC的增大而略微增高。电池在轴向压缩下的失效均是侧面首先发生环形褶皱,然后发生破裂,破裂的位置均靠近正极。正极端的凹槽结构会诱导电池在轴向压缩下从靠近正极处开始破坏。与径向平板压缩相比,轴向压缩没有剧烈的热失控现象,轴向压缩电池的最大载荷也远低于径向平板压缩的,且轴向压缩电池电压具有特有的台阶式下降现象。电池轴向加载实验是沿极片的面内方向,加载过程中极片易出现褶皱式屈曲,而电池径向加载试验是沿着垂直于极片卷绕叠层的方向,加载过程中极片会出现压实。(4)在电池的防护试验中,进行了钻孔泡沫铝防护结构(利用泡沫铝做电池的防护材料,取形状为长方体的泡沫铝在其某截面钻圆形通孔,该通孔恰能放置电池)和内嵌电池单体的钻孔泡沫铝结构的平板压缩实验,从热量扩散和吸能变形两个方面讨论钻孔泡沫铝结构的防护效果,比较了有、无防护结构电池的失效。在内嵌电池的钻孔泡沫铝结构的径向准静态压缩实验中,SOC为80%的电池单体均发生热失控,泡沫铝防护结构能阻隔高温喷射物及火焰,很大程度上阻断了热量向邻近电池的传播。有、无防护结构电池均有层间断裂和局部屈曲弯折失效,有防护结构的电池层间断裂的层数较少,有防护结构的电池局部屈曲弯折多在外壳及其邻近极片,而无防护电池的局部屈曲弯折在电池内部。
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