橡樹嶺國家實驗室：定量評估大尺寸方形鋰電池機械濫用下的熱失控風險

來源：第一電氣網作者：平蘭俯瞰新能源領軍人物

近日發生在山東日照的特斯拉電動車碰撞起火事件再次引發人們對動力電池安全性的擔憂。由于電動汽車的特殊性，在極端情況下對動力電池的安全性要求很高。因此，動力電池的測試過程還包括在機械濫用的情況下進行嚴格的電池安全評估，如擠壓和針刺。

傳統的電池安全評估，如擠壓和針刺，只能對鋰離子電池的安全性進行定性評估，測試結果只有通過和不通過兩種。我們無法判斷兩個通過測試的電池中哪一個更安全，也無法判斷哪一個不通過測試的更糟糕，這大大降低了這些安全測試的參考意義。為了定量測試兩種電池的安全性，并建立一個絕對標準，方便不同類型電池之間的比較，美國橡樹嶺國家實驗室的Xin Wang等人改進了傳統的擠壓測試設備，并在原始設備的基礎上對電池施加扭轉力，以減少測試過程中對電池的損壞，從而可以定量評估鋰離子電池的安全性。Xin Wang還建立了一個評分系統，為方便起見，對鋰離子電池的安全性進行評分。

目前，模擬鋰離子電池內部短路的方法有很多，如針刺試驗、小壓痕試驗、BAJ試驗和機械擠壓試驗。通過對大型方形電池特性的分析，Xin Wang認為機械擠壓試驗最適合方形鋰離子電池的試驗。然而，在傳統的擠壓測試中，幾乎所有的電池都會失控，因為它們會受到很大的損壞。因此，傳統擠壓試驗對不同類型電池安全性的“分辨率”很低，只能用通過和不通過兩個結果來定性分析鋰離子電池的安全性。可能兩種電池都沒有通過安全測試，但A電池的安全性優于B電池。為了準確評估不同系統電池的安全性能，Xin Wang改進了傳統的擠壓實驗。通過在電池的負極接線片上施加拉力，電池被扭曲約5度，從而減少了擠壓過程中對電池的損壞。因此，本實驗可以準確評估不同類型電池的安全性。

注1：電池通過擠壓的標準

為了便于讀者理解本文，下圖給出了LFP電池成功通過機械擠壓試驗（正反饋）的一個非常典型的標準。電池的擠壓變形達到一定程度后，導致電池發生短路，電池電壓迅速下降。在檢測到電壓下降（0.1V）后，擠壓力被消除，電池電壓迅速上升，電池不會失去熱控制，因此電池通過了擠壓測試。

1.LFP電池的安全性評價

為了測試上述改進的擠壓實驗的效果并評估LFP電池的安全性（由于LFP電池具有良好的安全性，僅測試具有最高風險的100%SoC狀態），Xin Wang對含有100%SoC的LFP電池進行了擠壓測試（左側），并在擠壓過程中對電池同時施加扭轉力的測試（右側）。測試結果如下圖所示。從測試結果來看，當電池只受到擠壓時，電池會受到很大的損壞，并且在電池短路后，電池會失去熱控制。當電池被擠壓時，扭轉力被施加到電池上，這減少了擠壓對電池的損壞。內部短路發生后，電壓迅速恢復，不會出現熱失控。由此可見，LFP電池具有優異的安全性能，即使在100%SoC的狀態下，也能安全通過擠壓扭轉試驗。

2.NMC電池安全性評估

在25Ah NMC電池的擠壓扭轉試驗中，發現所有處于50%SoC狀態的電池都通過了……

st成功。如圖A所示，三個處于60%SoC狀態的電池通過了測試，如圖B所示，其他三個電池未通過測試。如圖C所示，可以看出，60%SoC電池通過測試和未通過測試的概率分別為50%，而80%SoC電池未通過測試。可以看出，60%的SoC是NMC電池安全性的分水嶺。低于此值，電池相對安全。超過這個值，在機械濫用的情況下，電池的安全性將大大降低。

下圖顯示了擠壓扭轉實驗中含60%SoC的NMC電池的熱圖像。從圖中可以看出，短路發生后，短路點的溫度在0.5S內迅速上升到147.5℃，然后高溫區域迅速擴展到周圍區域，表明周圍區域的溫度升高不是由熱傳導引起的，而是由其他化學反應引起的。在80%的SoC下，NMC電池的熱失控溫度更高，周圍的化學反應更快。

基于上述實驗結果，Xin Wang給出了NMC電池在不同SoC狀態下的安全性得分。如下表所示，在這種評分系統下，我們可以更準確地評估電池的安全性。例如，具有50%SoC的NMC電池和具有100%SoC的LFP電池的安全性得分均為100，因此它們具有相似的安全性。含60%SoC的NMC電池的安全風險很高，在機械濫用的情況下有50%的熱失控可能性，而含80%SoC的電池的安全危險很高，而在機械濫用情況下有100%的熱失控概率。

Xin Wang為大型方形電池設計的擠壓扭轉實驗可以定量分析鋰離子電池在機械濫用情況下的熱失控風險，實現鋰離子電池安全評估從定性到定量的發展。過去，我們只能說某個電池的安全性好與否，但采用這種方法后，我們可以說某個蓄電池的安全性有多好和有多壞，就像我們從模擬信號時代進入了數字信號時代一樣。Xin Wang設計的實驗方法可以進一步優化，例如可以增加電池的數量，防止意外因素對實驗結果的影響，可以控制溫度等實驗條件，可以定量評估溫度等因素對電池安全性的影響。

來源：第一電氣網作者：平蘭俯瞰新能源領軍人物

近日發生在山東日照的特斯拉電動車碰撞起火事件再次引發人們對動力電池安全性的擔憂。由于電動汽車的特殊性，在極端情況下對動力電池的安全性要求很高。因此，動力電池的測試過程還包括在機械濫用的情況下進行嚴格的電池安全評估，如擠壓和針刺。

傳統的電池安全評估，如擠壓和針刺，只能對鋰離子電池的安全性進行定性評估，測試結果只有通過和不通過兩種。我們無法判斷兩個通過測試的電池中哪一個更安全，也無法判斷哪一個不通過測試的更糟糕，這大大降低了這些安全測試的參考意義。為了定量測試兩種電池的安全性，并建立一個絕對標準，方便不同類型電池之間的比較，美國橡樹嶺國家實驗室的Xin Wang等人改進了傳統的擠壓測試設備，并在原始設備的基礎上對電池施加扭轉力，以減少測試過程中對電池的損壞，從而可以定量評估鋰離子電池的安全性。Xin Wang還建立了一個評分系統，為方便起見，對鋰離子電池的安全性進行評分。

目前，模擬鋰離子電池內部短路的方法有很多，如針刺試驗、小壓痕試驗、BAJ試驗和機械擠壓試驗。通過分析大型方形電池的特點……

in Wang認為機械擠壓試驗最適合方形鋰離子電池的試驗。然而，在傳統的擠壓測試中，幾乎所有的電池都會失控，因為它們會受到很大的損壞。因此，傳統擠壓試驗對不同類型電池安全性的“分辨率”很低，只能用通過和不通過兩個結果來定性分析鋰離子電池的安全性。可能兩種電池都沒有通過安全測試，但A電池的安全性優于B電池。為了準確評估不同系統電池的安全性能，Xin Wang改進了傳統的擠壓實驗。通過在電池的負極接線片上施加拉力，電池被扭曲約5度，從而減少了擠壓過程中對電池的損壞。因此，本實驗可以準確評估不同類型電池的安全性。

注1：電池通過擠壓的標準

為了便于讀者理解本文，下圖給出了LFP電池成功通過機械擠壓試驗（正反饋）的一個非常典型的標準。電池的擠壓變形達到一定程度后，導致電池發生短路，電池電壓迅速下降。在檢測到電壓下降（0.1V）后，擠壓力被消除，電池電壓迅速上升，電池不會失去熱控制，因此電池通過了擠壓測試。

1.LFP電池的安全性評價

為了測試上述改進的擠壓實驗的效果并評估LFP電池的安全性（由于LFP電池具有良好的安全性，僅測試具有最高風險的100%SoC狀態），Xin Wang對含有100%SoC的LFP電池進行了擠壓測試（左側），并在擠壓過程中對電池同時施加扭轉力的測試（右側）。測試結果如下圖所示。從測試結果來看，當電池只受到擠壓時，電池會受到很大的損壞，并且在電池短路后，電池會失去熱控制。當電池被擠壓時，扭轉力被施加到電池上，這減少了擠壓對電池的損壞。內部短路發生后，電壓迅速恢復，不會出現熱失控。由此可見，LFP電池具有優異的安全性能，即使在100%SoC的狀態下，也能安全通過擠壓扭轉試驗。

2.NMC電池安全性評估

在25Ah NMC電池的擠壓扭轉試驗中，發現所有處于50%SoC狀態的電池都成功通過了試驗。如圖A所示，三個處于60%SoC狀態的電池通過了測試，如圖B所示，其他三個電池未通過測試。如圖C所示，可以看出，60%SoC電池通過測試和未通過測試的概率分別為50%，而80%SoC電池未通過測試。可以看出，60%的SoC是NMC電池安全性的分水嶺。低于此值，電池相對安全。超過這個值，在機械濫用的情況下，電池的安全性將大大降低。

下圖顯示了擠壓扭轉實驗中含60%SoC的NMC電池的熱圖像。從圖中可以看出，短路發生后，短路點的溫度在0.5S內迅速上升到147.5℃，然后高溫區域迅速擴展到周圍區域，表明周圍區域的溫度升高不是由熱傳導引起的，而是由其他化學反應引起的。在80%的SoC下，NMC電池的熱失控溫度更高，周圍的化學反應更快。

基于上述實驗結果，Xin Wang給出了NMC電池在不同SoC狀態下的安全性得分。如下表所示，在這種評分系統下，我們可以更準確地評估電池的安全性。例如，具有50%SoC的NMC電池和具有100%SoC的LFP電池的安全性得分均為100，因此它們具有相似的安全性。具有60%SoC的NMC電池的安全風險很高，在這種情況下熱失控的可能性為50%……

f機械濫用，而具有80%SoC的電池的安全風險非常高，并且在機械濫用的情況下熱失控的概率為100%。

Xin Wang為大型方形電池設計的擠壓扭轉實驗可以定量分析鋰離子電池在機械濫用情況下的熱失控風險，實現鋰離子電池安全評估從定性到定量的發展。過去，我們只能說某個電池的安全性好與否，但采用這種方法后，我們可以說某個蓄電池的安全性有多好和有多壞，就像我們從模擬信號時代進入了數字信號時代一樣。Xin Wang設計的實驗方法可以進一步優化，例如可以增加電池的數量，防止意外因素對實驗結果的影響，可以控制溫度等實驗條件，可以定量評估溫度等因素對電池安全性的影響。

標簽：發現特斯拉

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