尖晶石结构正极资料动力锂电池的热安全性研讨
摘要：本文首要论述了现在锂离子动力电池热安全性的研讨现状，并要点对尖晶石结构正极资料动力锂电池的热安全性进行了微观性的研讨。通过选用红外热成像仪对电池在充放电进程中外表的生热状况进行了定量的研讨；用热安全测验设备等设备、测验手法测验了动力电池在热箱、短路、针刺进程中的温度、电压改变趋势，终究证明了研讨目标在热安全性上是牢靠安稳的，也为下一步优化供给了量化的依据。
关键词：尖晶石结构；动力电池；热安全性
大气污染与环保压力的增强使得人们高度重视高效节能型动力的开展，各国政府也相继推出促进相关职业开展的办法、方针。在节能方面，电动车因在无污染、低噪音、低能耗等方面的优势而得到了民间、政府的强力支撑。在电动轿车方面，动力电池作为关键技能之一，成为电动车开展的晴雨表。在动力电池产业化开展道路上，人们不只重视电池电化学功能的前进，并且更重视安全功能的牢靠。跟着50辆装载有锰酸锂动力锂离子电池的奥运大巴在奥运期间的优异体现，人们对尖晶石结构正极资料的动力锂电池的广泛运用充满希望与等待。与此一起，中信国安盟固利公司（MGL）从未中止在安全功能前进方面的作业，通过各种办法、工艺的改善来前进电池的热安全性，然后确保了电池的安全功能测验接连5年通过了北方轿车质量监督查验试验所（201所）的测验。
1 研讨现状
影响电池热安全性的关键要素是正、负极资料、电解液类型、隔阂，以及电池结构的规划。金慧芬[1]等人用ARC（加快量热仪）研讨了商业化的LiCoO2/石墨体系的热安稳特性，成果标明：负极在60℃开端放热，正极在110℃开端放热，终究跟着电池内部气压的添加，导致呈现热失控；唐致远[2]等从正极资料、负极资料、电解液等方面别离论述了这些要素是怎么影响电池的热安全性；作者Chil-Hoon Doh[3]提出在安全试验中（过充与针刺），LiCoO2/C体系电池的热与电化学功能的影响，这些首要是通过微观的手法来阐明电池的安全性。一起文献[4-6] 运用有限元剖析、热模仿的办法对电池全体、电池组的散热等功能的研讨来直观的反响电池的热安全性。
现在尚没有微观研讨尖晶石正极资料动力锂电池的热安全性的报导。本文首要通过热成像、安全功能的量化测验等办法对单体电池的热安全性进行微观的研讨。
2 热安全性的研讨办法
2.1 研讨目标
本文以MGL出产的100Ah为研讨目标，电池外观、参数如图1所示：
图1 100Ah锂离子电池单体及示意图
2.2 研讨办法
在进行单体电池生热特性研讨时，选用了热成像、核算相结合的办法。
在电池充放电进程中，电池固定在钢架上，电池外表简直彻底与空气触摸，处于天然对流散热状况。电池正负极与试验台的通道相连，如图2所示。试验前室温控制在（23±2）℃，将电池长期放置至与环境温度平衡。
其间，热成像成果显现的色彩不同显现温度的改变状况。对试验进程中电池的外表温度取图中所示的10个区域，别离用AR1、AR2、AR3、AR4、AR5、AR6、AR7、AR8、AR9、AR10符号。
图2 电池生热试验测验图
（1-1）
其间IL为作业电流；UL为作业电压；E0为电池平衡电动势，在核算时用开路电压Uoc近似；T为电池温度；dE0/dT为电池平衡电动势的温度影响系数；VB为电池体积。式（1-1）右侧第一项IL(E0-UL)/VB描绘因为电池内阻和其他不可逆效应引起的生热，第二项 是因为电池内部电化学反响引起的生热。
在进行电池安全试验（短路、热箱、针刺）时，选用了自行规划的丈量设备，首要包含工控机、数据收集卡、温度传感器、电压传感器和电流传感器，如图3所示。
图3 电池安全试验丈量体系
3 研讨成果
3. 1 单体电池的生热才能
用热成像设备测验了电池在200A电流下放电和100A电流下充电时外表的温升状况，如图4、5所示。
图4 200A放电进程各标定点温度改变
图5 100A充电进程各标定点温度改变
从图中能够看出，电池在放电进程中，正极极耳处温升最快，负极极耳处次之，这阐明电池在进行放电时极耳处可能是整个电池的热源，尤其是在大电流放电状况下，极耳处发作的许多热将传递至电池内部，诱使内部发作连环的放热反响，然后引起电池的热失效；而在充电进程，正负极极耳处的温度相对其它区域要低，因为电池充电进程自身是个吸热进程，因此在操作合理的状况下不会呈现因许多产热而导致的安全事故。
依据式（1-1）核算出的电池生热速率如图6、7所示：
图6 200A放电进程生热速率改变
图7 100A充电进程生热速率改变
图9为电池短路进程中电池电压、电流的改变曲线测验成果图。从图中能够看出，电池在通过短
整个进程中，温度点1~5的改变如图10所示，从图中能够看出，在短路时刻（有电流存在），收集点3、4呈现不同的温度改变趋势，而1、2、5收集点的温度改变趋势根本共同。引起这种改变的首要原因是MGL在电池规划方面前进行了改善，有用的避免了高电流通过期引起的热失效现象。 整个短路进程中，电池在外观上无任何改变，电池没有焚烧、没爆破，契合安全规范。
图9 短路试验数据记载
图10 短路进程中各收集点温度的改变图
3.3 电池的热箱试验
图11为电池热箱试验（150℃/30min）的衔接及温度收集点方位布局图。图12为电池热箱进程中电池电压、温度的改变测验曲线图。
图11 电池热箱试验衔接及数据收集点图
图12 热箱试验数据记载
从图12中能够看出，电池在热箱进程中，电压只在热箱完毕阶段呈现骤变，其它阶段电压根本无改变。在温度方面，各收集点的改变趋势共同，最高温度到达137℃。
图12标明电池在热箱后只呈现气胀现象，没着火、没爆破，契合国家安全规范要求。
3.4 电池的针刺试验
图13为电池针刺试验的衔接及温度收集点方位布局图。图14为针刺进程中电池电压、温度的改变测验曲线图。
图13 电池针刺试验衔接及数据收集点图
图14 针刺试验数据记载
从图能够看出，在针刺进程中，电池电压呈现先下降后添加的趋势，而各收集点温度逐步添加，最高温度到达40℃，电池在整个进程中没起火、没爆破，契合国家安全规范。
4 总结与展望
引起电池安全问题的原因许多，包含乱用（过充、过放等），不合理的运用等很多要素。在确保电池合理操作的状况下，通过对电池资料、工艺的改善来前进电池的热安全性是重要途径之一。本文首要是对通过优化工艺改善后的电池进行了量化的热安全性剖析，来客观的表征电池的生热、安全特征，为下一步更好的前进电池的热安全性供给更好的思路。
电池热安全性的前进是电池开展进程中一个永久的课题，跟着技能的开展，模仿技能的前进，归纳运用试验、模仿点评的手法是必定的挑选，这不只是从本钱节省的视点，更是从信息反馈速度视点归纳考虑的成果。
参考文献
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