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(2)热失控机理
在外部诱因作用下,经过演变过程,电池事故将会进入“触发”阶段。一般地,进入触发阶段之后,锂离子动力电池内部的能量将会在瞬间集中释放,此过程不可逆且不可控,即热失控。热失控后的电池发生剧烈升温,在高温下可以观察到冒烟、起火与爆炸等危险现象。
当然,从广义的“安全性”的定义来看,电池安全事故中,也可能不发生热失控。比如电池发生碰撞事故后并不一定发生热失控;而电池组绝缘失效造成人员高电压触电,电池漏液产生异味造成车载人员身体不适等情况下,电池也不会发生热失控。在动力电池系统的安全设计当中,以上情况都需要考虑。
而热失控则是安全性事故最常见的事故原因,也是锂离子动力电池安全性事故特有的特点。大量实验现象表明,热失控后的电池不一定会同时发生冒烟、起火与爆炸,也可能都不发生,这取决于电池材料发生热失控的机理。
图14与图15展示了某款具有三元正极/PE基质的陶瓷隔膜/石墨负极的锂离子动力电池的热失控机理。
图14为该款锂离子动力电池绝热热失控实验中的温度与电压曲线,根据其热失控温度变化的特征,将热失控过程分为了7个阶段。在不同阶段,电池材料发生不同的变化。
图15通过一系列的图片解释了各个阶段电池材料的变化情况。
15某款三元锂离子动力电池热失控不同阶段的机理示意图
对于冒烟的情况而言,在阶段V,如果电池内部温度低于正极集流体铝箔的熔化温度660℃,电池正极涂层就不会随着反应产生的气体喷出,此时观察到的会是白烟;而如果电池内部温度高于660℃,正极集流体铝箔熔化,电池正极涂层随着反应产生的气体大量喷出,此时观察到的会是黑烟。
对于起火的情况而言,热失控事故中的起火一般是由于电解液及其分解产物被点燃造成的。所以,从阶段II开始,从安全阀泄漏出来的电解液就有可能被点燃而起火。
从燃烧反应的三要素(可燃物,氧气,引燃物)来看,可燃物即是电解液;氧气在电池内部存在不足,因此电解液需要泄漏出来才会发生起火;引燃物可能来自于电池外短路产生的电弧,也可能来自热失控时,高速喷出的气体与安全阀体摩擦所产生的火星。
对于爆炸的情况而言,爆炸一般表现为高压气体瞬间扩散造成的冲击。电池内部具有高压气体积聚的条件,而安全阀则是及时释放高压积聚气体的关键。安全阀体如能在电池壳体破裂之前开启,并释放足够多的在热失控过程中产生的高压气体,电池就不会发生爆炸;安全阀体如不能及时开启,就可能会发生爆炸事故。
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