王爽等：锂离子电池安全性研究进展 .905· 时刻) 针刺引发的热失控主要是由电池发生内短路， 短时间内积聚了大量的热使得电池内部发生不可控 600 的化学放热反应导致的.针刺实验主要研究针刺位 置、针刺速率、荷电状态、电池容量对电池安全性的 550 影响.2015年清华大学Feng等29通过开展25Ah 写500 三元材料电池组针刺实验对电池热失控传播机理进 行了研究，结果表明经受针刺的电池内部中心温度 450 范围为764~862℃，相邻电池相应温度范围为873~ 930℃.热量传递主要通过电池外壳、电极和电池上 4090 1000 1500 2000 2500 方的火焰三种途径，通过电极传递的热量只有通过 时间s 电池外壳传递热量的10%，且首次热失控电池产热 图33.323V电池质量随时间变化曲线 的12%即可使得相邻电池发生热失控.2017年金 Fig.3 Change of quality data ts time of 3.323 V battery 标等0]发现无论连接方式、穿刺位置如何，电池表 表23.323V加热和过充热失控数据 面极耳处温度最高，可达442.5℃.LifP0,单体电 Table 2 Data of thermal runaway under heating and overcharge in the 池穿刺前后的开路电压和质量变化约为14%，没有 stage of 3.323 V 发生起火爆炸，仅出现了大量的白色烟雾 热失控首次热失二次热失失重/ 电解液 诱发方式 比较不同种类电池的安全性，对于电池在电动 次数 控时刻/s 控时刻/s 8 质量/g 汽车市场的大规模应用具有推动作用，目前磷酸铁 加热 1469 2101 94.5 100 锂和三元材料电池具有较大的竞争力和较好的安全 2C过充 2 439 680 98.7 性.对比分析不同S0C状态下50 A.h LiFePO,/C(5 T=439gT=6808 -电压 个10Ah并联)和50 A.h LiNi,Co,Mn1-x-,02/iTi02 电流 2 40D 的燃烧特性及火灾危险性，1]，得出表3数据. 综合来看磷酸铁锂(LFP)的安全性要优于镍钴锰酸 30 18 16 锂三元材料(NCM)电池，NCM在热失控发生时会发 14 生自燃且正极的失控时刻温度要低于相应SOC状 20 12 10 态下的LFP,表明NCM易于发生热失控.此外NCM 6 的燃烧持续时间较长，热释放速率(HRR)峰值对应 2 时刻较短证明其放热速率更快，火灾危险性更大. 般来说电池在运输过程中S0C状态为50%，这是 500 1000150020002500 时间s 因为电池安全性与S0C成正比，相关文献[33-34] 图43.323V电池电压和电流随时间变化曲线 探讨了海拔高度对电池安全性的影响，发现热释放 Fig.4 Voltage and current curve rs time of 3.323 V battery 速率与SOC值成正比与海拔高度成反比. 表3LFP与NCM安全性对比[3I-)] Table 3 Comparison between LFP and NCM in security 荷电 着火 燃烧持续热释放速热释放速质量损失热失控发 最高火焰 是否发生 射流火焰 电池种类 状态/ 时刻/ 自燃 时间/ 率峰值/ 率峰值对 分数/ 生时正极 温度/ 会 次数 kw 应时刻/s % 温度/℃ ℃ 100 1465 568 28.96 121 2 747.0 LiNi,Co,MnO2/ 50 冷 3900 1093 39.7 1456 14.67 119 1 723.1 LisTisOn2 0 4629 2880 13.01 112 0 837.3 100 1506 591 24.2 176 3 1500 LiFePO:/C 50 否 1538 629 49.4 1760 20.4 178 3 939 0 1591 1710 17.6 184 2 1091 通过大尺寸燃烧试验模拟真实火场电动汽车燃 sumura等3)]开展了丰田普锐斯型号混合动力汽车 烧情况，国外研究人员走在了前列.2012年Mat- 燃烧的温度特性研究，将电池包内电池移除.利用王 爽等: 锂离子电池安全性研究进展 时刻). 图 3 3郾 323 V 电池质量随时间变化曲线 Fig. 3 Change of quality data vs time of 3郾 323 V battery 表 2 3郾 323 V 加热和过充热失控数据 Table 2 Data of thermal runaway under heating and overcharge in the stage of 3郾 323 V 诱发方式 热失控 次数 首次热失 控时刻/ s 二次热失 控时刻/ s 失重/ g 电解液 质量/ g 加热 2 1469 2101 94郾 5 100 2C 过充 2 439 680 98郾 7 图 4 3郾 323 V 电池电压和电流随时间变化曲线 Fig. 4 Voltage and current curve vs time of 3郾 323 V battery 针刺引发的热失控主要是由电池发生内短路, 短时间内积聚了大量的热使得电池内部发生不可控 的化学放热反应导致的. 针刺实验主要研究针刺位 置、针刺速率、荷电状态、电池容量对电池安全性的 影响. 2015 年清华大学 Feng 等[29]通过开展 25 A·h 三元材料电池组针刺实验对电池热失控传播机理进 行了研究,结果表明经受针刺的电池内部中心温度 范围为764 ~ 862 益,相邻电池相应温度范围为 873 ~ 930 益 . 热量传递主要通过电池外壳、电极和电池上 方的火焰三种途径,通过电极传递的热量只有通过 电池外壳传递热量的 10% ,且首次热失控电池产热 的 12% 即可使得相邻电池发生热失控. 2017 年金 标等[30]发现无论连接方式、穿刺位置如何,电池表 面极耳处温度最高,可达 442郾 5 益 . LiFePO4单体电 池穿刺前后的开路电压和质量变化约为 14% ,没有 发生起火爆炸,仅出现了大量的白色烟雾. 比较不同种类电池的安全性,对于电池在电动 汽车市场的大规模应用具有推动作用,目前磷酸铁 锂和三元材料电池具有较大的竞争力和较好的安全 性. 对比分析不同 SOC 状态下 50 A·h LiFePO4 / C(5 个10A·h 并联)和50A·h LiNi xCoyMn1 - x - yO2 / Li 4Ti 5O12 的燃烧特性及火灾危险性[17,31鄄鄄32] ,得出表 3 数据. 综合来看磷酸铁锂(LFP)的安全性要优于镍钴锰酸 锂三元材料(NCM)电池,NCM 在热失控发生时会发 生自燃且正极的失控时刻温度要低于相应 SOC 状 态下的 LFP,表明 NCM 易于发生热失控. 此外 NCM 的燃烧持续时间较长,热释放速率(HRR)峰值对应 时刻较短证明其放热速率更快,火灾危险性更大. 一般来说电池在运输过程中 SOC 状态为 50% ,这是 因为电池安全性与 SOC 成正比,相关文献[33鄄鄄34] 探讨了海拔高度对电池安全性的影响,发现热释放 速率与 SOC 值成正比与海拔高度成反比. 表 3 LFP 与 NCM 安全性对比[31鄄鄄32] Table 3 Comparison between LFP and NCM in security 电池种类 荷电 状态/ % 是否发生 自燃 着火 时刻/ s 燃烧持续 时间/ s 热释放速 率峰值/ kW 热释放速 率峰值对 应时刻/ s 质量损失 分数/ % 热失控发 生时正极 温度/ 益 射流火焰 次数 最高火焰 温度/ 益 LiNi xCoyMn1 - x - yO2 / Li4 Ti5O12 100 50 0 是 1465 568 3900 1093 4629 2880 39郾 7 1456 28郾 96 121 2 747郾 0 14郾 67 119 1 723郾 1 13郾 01 112 0 837郾 3 LiFePO4 / C 100 50 0 否 1506 591 1538 629 1591 1710 49郾 4 1760 24郾 2 176 3 1500 20郾 4 178 3 939 17郾 6 184 2 1091 通过大尺寸燃烧试验模拟真实火场电动汽车燃 烧情况,国外研究人员走在了前列. 2012 年 Mat鄄 sumura 等[35]开展了丰田普锐斯型号混合动力汽车 燃烧的温度特性研究,将电池包内电池移除. 利用 ·905·