本文利用BAC-420A大型電池絕熱量熱儀對(duì)鋰金屬負(fù)極固態(tài)電池進(jìn)行絕熱熱失控實(shí)驗(yàn),評(píng)估該電芯的熱穩(wěn)定性和熱失控危害。
前言
隨著電動(dòng)汽車的大規(guī)模發(fā)展,現(xiàn)有鋰離子電池體系已不能滿足日益增長(zhǎng)的續(xù)航里程需求,亟須發(fā)展更高能量密度的電池體系。在眾多的電池材料體系中,層狀過渡金屬氧化物-石墨負(fù)極體系的理論能量密度極限約為300Wh/kg。將純石墨負(fù)極替代為硅基合金,則能量密度理論上限可提升至約400Wh/kg。而金屬鋰負(fù)極具有最低的電位和最高的理論比容量,被認(rèn)為是電池負(fù)極材料的終極選擇,鋰金屬電池能量密度的理論上限可達(dá)500Wh/kg以上。
實(shí)驗(yàn)部分
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
1. 絕熱熱失控曲線
鋰金屬固態(tài)電池的絕熱熱失控曲線如圖2所示,可以發(fā)現(xiàn)該電芯的熱穩(wěn)定性與常規(guī)的液態(tài)高鎳三元電芯類似,但熱失控劇烈程度明顯更高。鋰金屬固態(tài)電池的熱失控過程表現(xiàn)出如下的特征:
1. 自放熱起始溫度Tonset低:Tonset溫度為74.42℃,與常規(guī)三元電芯相當(dāng)甚至略低。通常認(rèn)為固態(tài)電解質(zhì)與正負(fù)極界面的熱力學(xué)穩(wěn)定性要優(yōu)于液態(tài)電池內(nèi)的SEI膜,因此固態(tài)電池的Tonset溫度理應(yīng)較高。上述現(xiàn)象有待明確電池體系后進(jìn)行進(jìn)一步探究。
2. 熱失控起始溫度接近鋰金屬熔點(diǎn):熱失控起始溫度TTR約為180℃,該溫度下鋰金屬負(fù)極熔化,電解質(zhì)與熔融鋰金屬發(fā)生界面反應(yīng),產(chǎn)生的氧氣會(huì)誘發(fā)鋰金屬發(fā)生劇烈氧化反應(yīng),導(dǎo)致熱失控發(fā)生[1]。根據(jù)圖2b,到達(dá)TTR之前電芯升溫速率出現(xiàn)明顯下降,與負(fù)極熔化過程相對(duì)應(yīng)。
圖3 樣品鋰電池?zé)崾Э剡^程監(jiān)控視頻
另外,從熱失控瞬間的監(jiān)控畫面可以看到,該固態(tài)電池的熱失控爆燃持續(xù)時(shí)間短,爆炸沖擊威力大。隨著能量密度的提高,電芯熱失控能量釋放速率也顯著增大。
實(shí)驗(yàn)結(jié)論