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图1.NCM333-LMO混合阴极软包电池在三种不同约束条件下进行过充测试示意图。
作者使用的电池为NCM333-LMO混合阴极软包电池,负极为常规的石墨,隔膜为PE基材带陶瓷涂覆。电池单体容量为20Ah,测试时将两个软包电池2P进行过充。过充测试主要在三种不同约束条件下进行,具体如图1所示:ConfigurationA,电池不带任何夹具,即在无任何约束状态进行;Configuration B,电池带夹具约束;ConfigurationC,电池不仅带夹具约束,还在顶端剪了两个口可随时排除过充产生的气体。K型感温线一根布置在2P电池的中间,一根布置在电池的外表面。
表1.七组过充测试实验条件。
根据如上所述的三种不同的电池约束条件,过充测试共进行了七组,具体如表1所示。实验设计上同时考虑了充电倍率、电池约束条件和散热环境的影响。过充测试过程还每隔10%SOC对电池的内阻进行了测量。电池热失控参数上重点关注了热失控发生时电池的SOC(记为SOCTR)及对应的电池温度TTR。(注:图1已明确标注ConfigurationA为不带夹具约束,而表1第6组实验确是ConfigurationA带夹具约束,感觉有些矛盾!)
表2.七组过充测试结果汇总对比。
一.绝热、无约束状态下充电倍率对过充结果的影响
图2.电池在绝热、无约束状态下过充充电倍率对测试结果的影响。
如图2所示,在不同电流倍率(1/3C、1/2C和1C)过充条件下,在140%SOC之前电池的电压、内阻和温度差异都很小且有着几乎相同的变化趋势。唯一的区别在于1C电流较大导致检测到的电压值略高,电池的失效SOC略有提前,电池温度速率相对较高。值得一提的是,不同电流倍率下电池发生热失控时电池温度都在约113℃附近,由此表明充电倍率对过充结果影响较小。(注:需要注意的是以上结果是在电池处于绝热、无约束状态下得到的,其他测试条件下是否适用有待验证。)
二.绝热状态下不同约束条件对过充结果的影响
图3.电池在绝热状态下三种不同约束条件对过充结果的影响。
如图3所示,在绝热状态下过充,无约束(ConfigurationA)电池最早发生热失控(167%SOC、113.1℃),电池带夹具约束(ConfigurationB)的其次(170.5%SOC、115.8℃),电池带夹具约束且有剪口放气(ConfigurationC)的最后发生热失控(173.8%SOC、140.9℃)。以上结果表明夹具约束和及时释放过充过程产生的气体可以一定程度延缓电池发生热失控。(注:国标测试中并未明确规定测试时电池的约束状态,因此很多企业也都带夹具约束进行测试)。过充过程电池内部由于副反应会产生大量的可燃气体导致电池内部压力增大,在无约束状态下电池内部结构容易发生变形导致内短路,因此夹具约束能一定程度延缓电池发生热失控。
三.散热条件过充结果的影响
图4.散热条件过充结果的影响。
如图4所示,仅分析带夹具约束且有剪口放气(ConfigurationC)电池,可以明显观察到该电池非绝热条件下过充热失控(185.4%SOC,141.5℃)晚于绝热条件下的热失控(173.8%SOC,140.9℃),由此表明过充过程若能及时释放积累的热量有利于延缓电池发生热失控。
小结:以上部分结论动力电池企业之前从大量实验中已有掌握,但该研究的可贵之处在于做的较为系统,企业中较少有人做如此系统的研究。略显遗憾的该论文研究做的还不够深入,实验设计也未考虑所有不同条件且略有瑕疵,但瑕不掩瑜,good!
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