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欧阳明高:改进正极材料和电池包可有效抑制热失控

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动力电池的安全性一直是现代旅行中非常重要的因素。当前,全球动力电池产业,电动汽车产业和可再生能源汽车产业都处于快速发展的关键时期。因此,动力电池的安全性和安全风险的控制已成为全球关注的重点。

在最近举行的“第三届国际电池安全研讨会(2019IBSW)”上,与电池热失控机器有关的各方-电热激励和预防方法,电池热失控机理和抑制方法,电池深入讨论和交换燃烧和爆炸特性与消防安全,电池系统热失控和热管理,电池锂和快速充电安全,固态电池安全问题等。

在10月8日的研讨会上,欧阳明加院士详细介绍了热失控和热扩散控制的研究进展。

根据欧阳明高的说法,清华大学新能源动力系统研究组是国家新能源汽车重点专项的主要研发团队之一,也是中美清洁能源汽车合作的领导团队。目前的研究方向主要集中在动力电池,燃料电池和混合动力。

欧阳明高说,大量的实验研究表明,电池热失控具有三个特征温度,即:自生热起始温度T1,热失控诱发温度T2和热失控最高温度T3。欧阳明高指出:“为什么热量突然上升突然导致热量急剧上升,并且热量上升的速度可以达到1000度/秒或更高,这是引发热失控的关键。”通过对T2的研究,发现氧气从正极释放,锂在负极中沉积以及隔膜破裂的三个原因是形成T2的热失控的主要原因。

对于上述三种机理,欧阳明高从机理和热失控方面介绍了该团队的研究进展:首先,内部短路和内部短路控制的方法是BMS。二,正氧气释放电池的热失控和热设计;第三,由负极与锂和电解质剧烈反应引起的热失控和电荷控制。如果这三种机制和三种技术不能解决热失控问题,则可以通过抑制热量扩散来防止安全事故。

对于内部短路问题,欧阳明高表示,当前的机械模式的碰撞,充电过充,树枝状锂,枝晶刺穿隔膜,过热和隔膜塌陷都会引起内部短路,并且内部短路的程度演变过程不同,但最终会导致隔膜破裂并融化。隔膜的熔化会导致内部短路。从加热开始到隔膜破裂,会形成T2,直接导致热失控。他还认为,这是普遍原因。

关于内部短路的主要类型,欧阳明高认为,一些内部短路会立即引起热失控,但一些内部短路会慢慢发展;一些内部短路可能并不危险,但某些内部短路可能在演变后很危险。一些内部短路一直在缓慢变化,一些内部短路已从缓慢变为突然.他说,对于内部演化的演化,第一个过程主要是电压降,第二个过程主要是电压降。仅此过程会出现温度上升,最后会发生热失控。

他还说,可能发生热失控而没有内部短路。随着隔膜性能的不断提高,正极三元材料的镍含量继续增加,并且氧气释放温度降低,正极材料的热稳定性也将降低,并且弱连接将转移至正极电极材料。这也需要阴极材料公司和电池制造商的注意。

欧阳明高说,即使在实验过程中除去了电解液,电池仍然会失控。当将正极和负极结合时,负极被氧化,正极释放出氧气,负极剧烈反应,因此可以将焦点放在正极材料和电解质上以改变热失控特征。除了将来的固体电解质以外,电解质添加剂,高浓度电解质和新电解质还将在解决热失控问题方面有更大的改进空间。

就锂沉积和电荷控制而言,欧阳明高说,整个生命周期安全的最重要因素是锂沉积。如果没有锂衰减,电池安全性不会降低。对锂的分析也是如此,锂的沉淀结果相差很大,锂的发热量要高得多,锂的沉淀将直接与电解质反应,引起大量的温升,这将直接引起热失控。

研究发现,简化的P2D模型可用于在没有锂的情况下得出充电曲线。如果负电势不小于零,则获得没有锂的最佳充电曲线。该曲线由三个电极校准,该算法可用于实现无锂的目的,但他强调这只是校准过程,电池的衰减性能会随时间变化。

为了扩散和抑制热失控,欧阳明高团队通过温度场测试发现,并联电池组的扩散过程是一个环节,当第一个电池失控,短路时,所有电都将流入首先是电池侧,因此电池组电压下降,一旦断开连接后电压被关闭,这就是并联热失控的特征。串联电池组的热失控开始有序地扩散,最终它剧烈地扩散,不仅在热传递方面,而且在爆炸和燃烧等事故中也是如此。

因此,欧阳明高强调,电池组的设计尤为重要,并且可以根据仿真参数校准模型来进行隔热。电池不仅具有足够的绝缘性,而且具有散热设计,通过隔热层可以阻止热量传递,并通过散热带走能量。在实验过程中,在相同的测试条件下,与常规电池组相比,带有防火墙的电池组没有燃烧并且没有散热。

目前,电池仍然是电化学储能系统(尤其是电动汽车)中最重要的部分。 2018年,全球电池产量也已超过106 GWH,其中60%来自中国。同时,中国在高能量密度锂离子电池的开发方面也处于前沿。目前,三元电池芯已达到300Wh/kg,到2020年,电池组的能量密度可达到200Wh/kg。然而,电化学,尤其是高电能,可能具有相应的热失控风险,这也一定程度上降低了电动汽车的市场接受度。相信在世界各地专家学者的共同努力下,电池安全事件的发生机理将很快得到发现,并将找到一系列有效解决电池安全问题的措施。

(编辑:DF381)

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