【導(dǎo)讀】最近的一起發(fā)生在山東日照的特斯拉電動汽車碰撞后起火事件，再次引起了人們對于動力電池的安全性問題的關(guān)注。電動汽車的特殊性使得其對于動力電池在極端情況下的安全性要求很高，因此在動力電池的測試過程中也包含了嚴(yán)格的機(jī)械濫用情況下電池安全性的考核，例如擠壓、針刺等。
傳統(tǒng)的電池安全性評估，如擠壓、針刺等僅能對鋰離子電池的安全性做定性的評估，測試結(jié)果也僅有兩個：通過和不通過，我們無法判斷兩個通過測試的電池哪一個安全性更高，也不能判斷沒有通過測試的電池哪一個安全性更差，這極大的降低了這些安全性測試的參考意義。為了能夠?qū)煽铍姵氐陌踩赃M(jìn)行定量的測試，建立一個絕對的標(biāo)準(zhǔn)以方便不同種類電池之間相互比較，美國橡樹嶺國家實驗室的Hsin Wang等對傳統(tǒng)的擠壓測試設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn)，在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上，給電池施加了一個扭轉(zhuǎn)力，以減小電池在測試中受到的破壞，因此能夠?qū)︿囯x子電池的安全性進(jìn)行定量的評估，Hsin Wang還建立了一套評分體系，為鋰離子電池的安全性進(jìn)行打分，以方便不同種類的電池能夠相互進(jìn)行比較。
目前能夠模擬鋰離子電池內(nèi)短路的方式有多種，例如針刺測試，小壓痕測試，BAJ測試和機(jī)械擠壓測試等，通過對大尺寸方形電池特點(diǎn)的分析，Hsin Wang認(rèn)為機(jī)械擠壓測試最適合應(yīng)用方形鋰離子電池的測試上。但是在傳統(tǒng)的擠壓的測試中由于電池受到的破壞太大，幾乎所有的電池都會發(fā)生熱失控，因此傳統(tǒng)的擠壓測試對不同種類電池安全性的“分辨率”就很低，只有通過和不通過兩種結(jié)果，只能對鋰離子電池的安全性進(jìn)行定性分析?？赡軆蓚€電池都沒有通過安全性測試，但是A電池的安全性卻要好于B電池，為了能夠準(zhǔn)確的評估不同體系電池的安全性能，Hsin Wang對傳統(tǒng)的擠壓實驗進(jìn)行了改進(jìn)，通過在電池負(fù)極極耳上施加一個拉力，讓電池產(chǎn)生大約5°的扭曲，從而減少在擠壓過程中電池受到的破壞，因此該實驗?zāi)軌驕?zhǔn)確的評估不同種類電池的的安全性高低。
注解1：電池通過擠壓的判據(jù)
為了方便讀者理解本文，下圖是給出了LFP電池一個非常典型的成功通過機(jī)械擠壓測試（正反饋）的判據(jù)，電池擠壓變形達(dá)到一定的程度后，引起了電池內(nèi)短路的發(fā)生，電池電壓迅速下降，檢測到電壓下降后（0.1V），擠壓力隨之被移除，電池的電壓快速回升，電池沒有發(fā)生熱失控，則電池通過擠壓實驗。
1.對LFP電池的安全性評估
為了測試上述的改進(jìn)擠壓實驗的效果，同時評估LFP電池的安全性（由于LFP電池安全性較好，因此僅測試了風(fēng)險最高的100%SoC狀態(tài)），Hsin Wang針對100%SoC的LFP電池分別進(jìn)行了僅有擠壓測試（左側(cè)）和在擠壓的過程中同時對電池施加一個扭轉(zhuǎn)力的測試（右側(cè)）。測試結(jié)果如下圖所示，從測試結(jié)果來看，僅對電池施加擠壓時，由于電池受到的破壞較大，電池發(fā)生短路后，電池發(fā)生熱失控。而在對電池進(jìn)行擠壓的同時對電池施加一個扭轉(zhuǎn)力，降低了擠壓對電池的破壞，內(nèi)短路發(fā)生后，電壓迅速恢復(fù)，沒有發(fā)生熱失控?？梢奓FP電池具有非常優(yōu)異的安全性能，即使在100%SoC狀態(tài)下，也能安然通過擠壓-扭轉(zhuǎn)測試。
2.對NMC電池安全性的評估
在對25Ah的NMC電池擠壓-扭轉(zhuǎn)測試中，發(fā)現(xiàn)50%SoC狀態(tài)下的電池都成功通過了測試，如圖a所示，60%SoC狀態(tài)下的電池有三只通過了測試，如圖b所示，另外的三只沒有通過測試，如圖c所示，可見60%SoC的電池通過測試和不通過測試的概率各為50%，而80%SoC的電池則都沒有通過測試，如圖d所示。由此可見，60%SoC是NMC電池安全性的一個分水嶺，低于這個數(shù)值時電池相對是安全的，高于這個數(shù)值，則電池在機(jī)械濫用的情況下的安全性將大大下降。
下圖為60%SoC的NMC電池在擠壓-扭轉(zhuǎn)實驗中的熱成像圖，從圖中可以看到在短路發(fā)生后，短路點(diǎn)的溫度在0.5S內(nèi)迅速升高到了147.5 ℃，隨后高溫區(qū)域迅速向周圍擴(kuò)展，說明周圍區(qū)域溫度升高并不是由熱傳導(dǎo)導(dǎo)致的，而是高溫引發(fā)了其他的化學(xué)反應(yīng)。而在80%SoC下，NMC電池發(fā)生熱失控的溫度更高，引起周圍化學(xué)反應(yīng)的速度也更快。
基于上述實驗結(jié)果，Hsin Wang為NMC電池給出了不同SoC狀態(tài)下的安全得分，如下表所示，在該評分體系下我們能夠更加精確的對電池的安全性進(jìn)行評估，例如50%SoC的NMC電池與100%SoC的LFP電池的安全性得分都為100分，因此它們具有相近的安全性。60%SoC的NMC電池安全性風(fēng)險較高，在機(jī)械濫用的情況下有50%的可能發(fā)生熱失控，而80%SoC的電池安全性風(fēng)險非常高，機(jī)械濫用情況下發(fā)生熱失控的概率為100%。
Hsin Wang設(shè)計的針對大尺寸方形電池的擠壓-扭轉(zhuǎn)實驗可以實現(xiàn)對鋰離子電池在機(jī)械濫用情況下的熱失控風(fēng)險進(jìn)行定量的分析，實現(xiàn)了鋰離子電池安全性評估從定性到定量的發(fā)展，以前我們只能說某款電池的安全性是好，還是不好，而采用這種方法后，我們可以說某款電池的安全性有多好、多不好，就如同我們從模擬信號時代，進(jìn)入到了數(shù)字信號時代。Hsin Wang設(shè)計的實驗方法還能夠進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化，例如實驗的電池的數(shù)量可以更多一些，防止偶然因素對實驗結(jié)果的影響，控制實驗條件，例如溫度等，定量評估溫度等因素對電池安全性的影響。
