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    低溫磷酸3.2V 20Ah
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    鋰離子動力鋰離子電池機械濫用工況下的安全問題

    鉅大LARGE  |  點擊量:309次  |  2022年03月23日  

    摘要
    本文的背景是高速增長的電動車市場以及伴隨而來的電池安全問題。隨著電動車的保有量不斷增加,當電動車事故的數量與傳統燃油車的事故數量相當時,電動車電池的碰撞安全問題

    本文的背景是高速上升的電動汽車市場以及伴隨而來的電池安全問題。隨著電動汽車的保有量不斷新增,當電動汽車事故的數量與傳統燃油車的事故數量相當時,電動汽車電池的碰撞安全問題將會更為凸顯。在汽車碰撞事故中,電池組有可能受到擠壓而嚴重變形,也有可能在無分明變形的情況下發生沖擊過載,從而有一定的熱失控風險。這方面比較著名的一個案例就是2014年發生的TeslaModelS在高速行駛中發生地面物體撞擊而導致的事故,其電池組嚴重變形并發生熱失控著火。在可預計的未來,電動汽車所搭載的電池容量將持續新增,潛在風險更大,動力鋰電池的碰撞安全性問題已成為急需處理的問題。


    相比于針對電池在熱和電濫用工況下的安全問題的研究,機械濫用工況下電池安全問題的研究相對較少。本文對目前有關電池單體、電池模塊以及電池組在機械載荷下變形與失效的研究進行了梳理。從研究尺度上看,電池碰撞安全研究包括了電池包份材料、電池單體、電池模組與防護結構以及電池組等各個層次,如下圖所示。電池碰撞安全研究的的重要目標有:(1)理解機械載荷下電池單體的變形與失效特點以及與內短路觸發的關聯性,最終建立單體、模塊或電池組的損傷判據和損傷容限;(2)建立兼顧計算精度與計算效率的有限元仿真模型,指揮電池組防護結構設計。


    組分材料尺度研究。正極、隔膜和負極組成的層疊結構是不同形式電池的基本組成單元。其中正負極由金屬集流體和涂敷在表面的涂層組成。電池單體組份材料的力學性質,包括金屬集流體、正負極涂層和隔膜的力學性質以及涂層與集流體之間的界面性質,筆直決定了電池單體的力學行為。與傳統金屬材料類似,金屬集流體的力學行為表征包括其塑性、韌性斷裂以及各向異性和率相關性,而重要困難在于實驗數據的獲取。這是由于電池中使用的金屬集流體厚度較?。?0-25um),給試件的制備、夾持、加載以及測量都帶來一定困難。隔膜重要起到隔離正負極的用途,因此其力學行為特別是斷裂行為也筆直影響了電池的內短路發生。隔膜通常為高分子材料(PE、PP),其力學行為的表征較為復雜,包括彈性、塑性、斷裂以及材料方向、溫度和時間相關性等因素的影響。有關涂層材料以及涂層與集流體的界面性質的研究目前相對較少。


    電池單體尺度研究。電池單體是電池組的最小組成單元,在試驗方面,為研究單體的機械失效模式及其與內短路發生的關聯性,并且考慮到實際碰撞事故中,電池單體受到的加載工況較為復雜,要進行不同形式加載工況的試驗。下圖列舉了電池單體典型的加載工況,包括面內方向擠壓、面外方向擠壓(球形加載頭、圓柱面加載頭)和三點彎等。除了加載形式,還要考慮單體帶電量以及加載速度的影響。

    低溫磷酸鐵鋰電池3.2V 20A
    -20℃充電,-40℃ 3C放電容量≥70%

    充電溫度:-20~45℃
    -放電溫度:-40~+55℃
    -40℃支持最大放電倍率:3C
    -40℃ 3C放電容量保持率≥70%

    電池模塊尺度。與電池單體類似,電池模塊也要考慮不同加載形式、帶電量和加載速度下的機械失效和熱失控現象。但電池模塊通常由成組的單體和其他附件組成,組成結構較多,且整體能量較高,因此新增了試驗和仿真的成本。目前文獻中公開發表的電池模塊實驗和仿真內容較少,下圖展示了清華大學周青教授團隊發表的試驗結果,可以看出不同沖擊方向下電池模塊的機械破壞與熱失控現象有較大差別。


    更全面的有關鋰離子動力鋰電池機械濫用工況下安全問題的研究現狀,可參考最近發表的綜述文章”Areviewofsafety-focusedmechanicalmodelingofcommerciallithium-ionbatteries”。論文中更為具體的總結了近10年來的相關研究工作。


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