化学学报 ›› 2024, Vol. 82 ›› Issue (2): 146-151.DOI: 10.6023/A23110498 上一篇 下一篇
研究论文
投稿日期:
2023-11-14
发布日期:
2024-01-17
作者简介:
基金资助:
Xiaoyu Gua, Jin Lia, Qian Sunb, Chaoyang Wangb()
Received:
2023-11-14
Published:
2024-01-17
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动力锂离子电池(LIB)的安全问题, 尤其是热失控这一频发的安全事件严重影响乘车人员的安全以及新能源汽车的推广. 本工作使用C80微量量热仪准确测量了商用锂离子电池的内在产热, 通过研究分析不同质量比例的负极-电解液产热及不同质量比例的正极-负极产热, 明确了LIB在热失控阶段的主要反应分为负极与电解液反应放热(130~200 ℃), 三元镍钴锰酸锂(NCM)正极释氧与负极反应放热(200~240 ℃)和磷酸铁锂(LFP)正极释氧与负极反应放热(240~300 ℃)等. 通过使用去卷积数学方法对不同质量比例的负极-电解液及不同质量比例的正极-负极产热分析研究表明, 在商用锂电池注液系数条件下, 电解液会优先与负极反应且被全部消耗, 剩余嵌锂负极会进一步与正极反应放热, 且反应热与正极材料特性密切相关. 残余正极物质虽然结构坍塌仍会释氧, 但由于缺少与之反应的负极或电解液, 热量不会再明显增加. 通过对不同荷电状态(SOC)及不同类型的锂电池主材进行产热测试, 能更好地指导电极材料的改性和电池组装的开发设计, 从而提高LIB整体热稳定性和安全性, 最终获得整包和新能源车的安全提高.
顾晓瑜, 李进, 孙千, 王朝阳. 微量量热法分析锂离子电池热失控过程[J]. 化学学报, 2024, 82(2): 146-151.
Xiaoyu Gu, Jin Li, Qian Sun, Chaoyang Wang. Microcalorimetry Analysis of Thermal Runaway Process in Lithium-ion Batteries[J]. Acta Chimica Sinica, 2024, 82(2): 146-151.
LFP/NCM | 起始温度/℃ | 峰值温度/℃ | 反应热/J | 基于电极 产热/(J•g-1) |
---|---|---|---|---|
peak 1 | 130 | 180 | 84 | 1408 |
peak 2 | 174 | 205 | 299 | |
peak 3 | 213 | 228 | 140 | 2293 |
peak 4 | 231 | 236 | 267 | |
peak 5 | 241 | 245 | 29 | |
peak 6 | 280 | 287 | 21 | 152 |
NCM | 起始温度/℃ | 峰值温度/℃ | 反应热/J | 基于电极 产热/(J•g-1) |
peak 1 | 154 | 180 | 66 | 1632 |
peak 2 | 185 | 208 | 378 | |
peak 3 | 211 | 224 | 294 | 1285 |
peak 4 | 232 | 235 | 109 | |
peak 5 | 226 | 236 | 249 | |
peak 6 | — | — | — | |
LFP | 起始温度/℃ | 峰值温度/℃ | 反应热/J | 基于电极 产热/(J•g-1) |
peak 1 | 160 | 168 | 8 | 448 |
peak 2 | 180 | 209 | 65 | |
peak 3 | 197 | 219 | 33 | |
peak 4 | 198 | 231 | 16 | |
peak 5 | — | — | — | |
peak 6 | 222 | 294 | 122 | 240 |
LFP/NCM | 起始温度/℃ | 峰值温度/℃ | 反应热/J | 基于电极 产热/(J•g-1) |
---|---|---|---|---|
peak 1 | 130 | 180 | 84 | 1408 |
peak 2 | 174 | 205 | 299 | |
peak 3 | 213 | 228 | 140 | 2293 |
peak 4 | 231 | 236 | 267 | |
peak 5 | 241 | 245 | 29 | |
peak 6 | 280 | 287 | 21 | 152 |
NCM | 起始温度/℃ | 峰值温度/℃ | 反应热/J | 基于电极 产热/(J•g-1) |
peak 1 | 154 | 180 | 66 | 1632 |
peak 2 | 185 | 208 | 378 | |
peak 3 | 211 | 224 | 294 | 1285 |
peak 4 | 232 | 235 | 109 | |
peak 5 | 226 | 236 | 249 | |
peak 6 | — | — | — | |
LFP | 起始温度/℃ | 峰值温度/℃ | 反应热/J | 基于电极 产热/(J•g-1) |
peak 1 | 160 | 168 | 8 | 448 |
peak 2 | 180 | 209 | 65 | |
peak 3 | 197 | 219 | 33 | |
peak 4 | 198 | 231 | 16 | |
peak 5 | — | — | — | |
peak 6 | 222 | 294 | 122 | 240 |
LFP/NCM无电解液 | 起始温度/℃ | 峰值温度/℃ | 反应热/J | 基于电极 产热/(J•g-1) |
---|---|---|---|---|
peak 1 | 138 | 194 | 161 | 592 |
peak 2 | 193 | 221 | 211 | 4057 |
peak 3 | 218 | 222 | 53 | |
peak 4 | 215 | 228 | 197 | |
peak 5 | 229 | 239 | 259 | |
peak 6 | 248 | 256 | 27 | 125 |
Peak7 | 270 | 275 | 14 |
LFP/NCM无电解液 | 起始温度/℃ | 峰值温度/℃ | 反应热/J | 基于电极 产热/(J•g-1) |
---|---|---|---|---|
peak 1 | 138 | 194 | 161 | 592 |
peak 2 | 193 | 221 | 211 | 4057 |
peak 3 | 218 | 222 | 53 | |
peak 4 | 215 | 228 | 197 | |
peak 5 | 229 | 239 | 259 | |
peak 6 | 248 | 256 | 27 | 125 |
Peak7 | 270 | 275 | 14 |
4.1V-SOC-90% | 起始温度/℃ | 峰值温度/℃ | 反应热/J | 基于负极 产热/(J•g-1) |
---|---|---|---|---|
peak 1 | 160 | 218 | 845 | 1721 |
peak 2 | — | — | — | |
peak 3 | 226 | 229 | 271 | |
peak 4 | 229 | 232 | 418 | |
peak 5 | 234 | 243 | 187 | |
3.9V-SOC-70% | 起始温度/℃ | 峰值温度/℃ | 反应热/J | 基于负极 产热/(J•g-1) |
peak 1 | 130 | 185 | 567 | 1765 |
peak 2 | 180 | 217 | 622 | |
peak 3 | 225 | 230 | 30 | |
peak 4 | 235 | 238 | 413 | |
peak 5 | 237 | 239 | 133 | |
3.6V-SOC-30% | 起始温度/℃ | 峰值温度/℃ | 反应热/J | 基于负极 产热/(J•g-1) |
peak 1 | 110 | 190 | 571 | 992 |
peak 2 | 170 | 214 | 336 | |
peak 3 | 220 | 227 | 16 | |
peak 4 | 232 | 234 | 69 | |
peak 5 | — | — | — |
4.1V-SOC-90% | 起始温度/℃ | 峰值温度/℃ | 反应热/J | 基于负极 产热/(J•g-1) |
---|---|---|---|---|
peak 1 | 160 | 218 | 845 | 1721 |
peak 2 | — | — | — | |
peak 3 | 226 | 229 | 271 | |
peak 4 | 229 | 232 | 418 | |
peak 5 | 234 | 243 | 187 | |
3.9V-SOC-70% | 起始温度/℃ | 峰值温度/℃ | 反应热/J | 基于负极 产热/(J•g-1) |
peak 1 | 130 | 185 | 567 | 1765 |
peak 2 | 180 | 217 | 622 | |
peak 3 | 225 | 230 | 30 | |
peak 4 | 235 | 238 | 413 | |
peak 5 | 237 | 239 | 133 | |
3.6V-SOC-30% | 起始温度/℃ | 峰值温度/℃ | 反应热/J | 基于负极 产热/(J•g-1) |
peak 1 | 110 | 190 | 571 | 992 |
peak 2 | 170 | 214 | 336 | |
peak 3 | 220 | 227 | 16 | |
peak 4 | 232 | 234 | 69 | |
peak 5 | — | — | — |
样品 | NCM全电池体系(mg) | LFP全电池 体系(mg) | 混合全电池体系(mg) | 负极+电解液体系(mg) |
---|---|---|---|---|
负极极片 | 272 | 272 | 272 | 450 |
正极极片 | 507 | 507 | 507 | — |
隔膜 | 50 | 50 | 50 | — |
电解液 | 150 | 150 | 150 | 240 |
m(负极)∶m(电解液) | 1.81 | 1.81 | 1.81 | 1.87 |
样品 | NCM全电池体系(mg) | LFP全电池 体系(mg) | 混合全电池体系(mg) | 负极+电解液体系(mg) |
---|---|---|---|---|
负极极片 | 272 | 272 | 272 | 450 |
正极极片 | 507 | 507 | 507 | — |
隔膜 | 50 | 50 | 50 | — |
电解液 | 150 | 150 | 150 | 240 |
m(负极)∶m(电解液) | 1.81 | 1.81 | 1.81 | 1.87 |
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