詳解充電機充電動力蓄電池的破壞性測試
2018-12-2 16:11:38??????點擊：
充電機充電動力蓄電池的安全性是新能源汽車發展中備受關注的熱點，關于充電機充電動力蓄電池安全方面測試項目大致分為安全測試和濫用測試。下面通過一些例子來看一下這兩個測試。
充電機充電動力蓄電池產品關乎用戶的生命安全，其安全設計和要求在整個電池系統設計中處于最高優先級。這需要選擇合適的電池材料、優化單體電池設計、強化模組和系統的電氣安全設計、應用FMEA工具綜合考慮/分析各種安全失效模式和應對措施，從而設計出高性能、高安全的充電機充電動力蓄電池產品。
圖1 電池安全和濫用測試項目
充電機充電動力蓄電池的安全性是新能源汽車發展中備受關注的熱點，圖1是TUV的關于充電機充電動力蓄電池安全方面測試項目，大致分為安全測試(Safety Testing)和濫用測試(Abuse Testing)。
其中擠壓(crush)測試和針刺(nail penetration)測試屬于濫用測試。這兩項測試對電池的破壞性很大。擠壓是直接對電池施加外部機械力，迫使電池發生形變，從而造成電池內部各部分的機械變形，產生外部內部結構組織破壞(例如隔膜斷裂、刺穿)，產生內部短路，促發可能的熱失控。
針刺是外部金屬異物直接刺入電池內部，刺穿電池內部組分，同樣造成內部短路，促發可能的熱失控。這里通過一些例子來看一下這兩個測試。
圖2 LFP 50Ah電池的針刺測試
先看一下LFP/C電池的測試。LFP材料的熱穩定性相對較高，在濫用測試中有助于抑制或延緩熱時空的發生。這里是ELIIY Power的50Ah(106Wh/kg)電池的一個案例，由TUV做的針刺測試。
針刺刺入的位置在電池表面的中心。從鋼針刺入的整個過程來看，該電池沒有觀察到任何異常現象，顯示出較高的安全性(圖2a-2c)。
圖3 鋼針粗細對針刺結果的影響
關于針刺試驗，EC Power利用仿真技術研究了鋼針的粗細對NCM電池(5Ah，120Wh/kg)針刺測試結果的影響。有一組數據可供參考：
20mm的鋼針，針刺位置溫度達到150攝氏度需要150秒。
10mm鋼針，針刺位置溫度達到150攝氏度需要75秒。
5mm鋼針，針刺位置溫度達到150攝氏度僅僅需要2秒(圖3)。
說明采用較細的鋼針，在針刺位置的局部溫升相對更快，更加容易造成電池熱失控。
圖4 LFP 50Ah電池的擠壓測試
圖4同樣是EIILY Power的50Ah LFP電池的擠壓測試，擠壓位置也在電池中間位置。
從擠壓頭擠壓到電池厚度一半左右的位置，電池沒有觀察到任何異常現象(圖4a，4b)。
繼續擠壓時，可以看到電池內部電解液噴射出來(圖4c)。
繼續擠壓時，開始出現少量白煙(圖4d)；擠壓到圖4e位置時，觀察到電池殼體開始發生破裂。
圖4f是100%擠壓變形了，電池殼體已經被擠壓破裂成兩半，并且可以觀察到在右邊半塊電池表面的塑料包裝膜開始受熱收縮，說明此時電池內部溫升較快。
盡管如此，在整個擠壓過程中，電池沒有出現著火、爆炸現象，顯示出較好的安全特性。
圖5 擠壓測試失敗案例
圖5是一個單體電池的擠壓測試的失敗案例。從擠壓頭開始擠壓電池，電池就有少量白煙從頂部冒出(圖5b)，接著就開始噴射出大量白煙(圖5c)，緊接著在第六秒鐘就噴射出大量火星和火焰，電池完全著火爆炸，數秒鐘之內，著火爆炸產生的氣體、煙霧、飛濺出來的殘留物就彌漫到整個測試房間內。
我們看一下鋰離子電池在熱失控后從電池內部都釋放出哪些氣體。當然，由于每種電池的組成、結果、化學狀態都存在差異，釋放出來的氣體各有差異。通常，這些氣體都是可燃的，當熱失控造成電池內部溫度快速上升到一定程度，就有可能觸發燃燒。
這里以一個40Ah NCM/C軟包電池為例說明，它的電解液為LiPF6/EMC/DEC/EC。在充滿電的情況下，通過針刺出發熱失控，從而采集分析釋放的氣體成分。分析結果顯示，釋放出來的氣體成分主要包括：
EMC：碳酸甲酯乙基酯
DEC：碳酸二乙酯
EC：碳酸乙烯酯
Benzene：苯
Toluene：甲苯
Styrene：苯乙烯
Biphenyl：聯苯
Acrolein：丙烯醛
CO：一氧化碳
COS：硫化碳酰
Hydrogen fluoride：這是氟化氫
上述這些物質中，有些是氣體，有些是揮發的液體。前三種物質是電解液本身揮發出來的，后面幾種物質都是在熱失控過程中形成的新物質。上面所有物質都已具有一定毒性的，在一定溫度下都是可燃的。
下面再看一個傳統消費類電池，電池材料為LiCoO2/C，2.1Ah軟包電池，能量為7.7Wh。
觸發熱失控后通過設備采集氣體進行分析，得到表1結果。這里的氣體成分包括：
一氧化碳、二氧化碳、氫氣。
甲烷、乙烷、丙烷、異丁烷、丁烷、異戊烷、異戊烷、己烷、乙烯、丙烯、苯、甲苯、苯乙烷。
其中，在100%SOC和150%SOC下，體積含量最多的是一氧化碳、二氧化碳和氫氣。主要成分是一氧化碳、二氧化碳和氫氣，其余是烷烴、烯烴、苯等有機物，這些也可使可燃氣體。
同時測量釋放出來的氣體的含量(表2)，從50%SOC到100%SOC，熱失控后釋放出來的氣體含量增加了3倍多。在150%SOC，釋放的氣體含量達到了50%SOC下的7.5倍，一個小小的電池竟然可以釋放出這么多的氣體。
充電機充電動力蓄電池產品關乎用戶的生命安全，其安全設計和要求在整個電池系統設計中處于最高優先級。這需要選擇合適的電池材料、優化單體電池設計、強化模組和系統的電氣安全設計、應用FMEA工具綜合考慮/分析各種安全失效模式和應對措施，從而設計出高性能、高安全的充電機充電動力蓄電池產品。
圖1 電池安全和濫用測試項目
充電機充電動力蓄電池的安全性是新能源汽車發展中備受關注的熱點，圖1是TUV的關于充電機充電動力蓄電池安全方面測試項目，大致分為安全測試(Safety Testing)和濫用測試(Abuse Testing)。
其中擠壓(crush)測試和針刺(nail penetration)測試屬于濫用測試。這兩項測試對電池的破壞性很大。擠壓是直接對電池施加外部機械力，迫使電池發生形變，從而造成電池內部各部分的機械變形，產生外部內部結構組織破壞(例如隔膜斷裂、刺穿)，產生內部短路，促發可能的熱失控。
針刺是外部金屬異物直接刺入電池內部，刺穿電池內部組分，同樣造成內部短路，促發可能的熱失控。這里通過一些例子來看一下這兩個測試。
圖2 LFP 50Ah電池的針刺測試
先看一下LFP/C電池的測試。LFP材料的熱穩定性相對較高，在濫用測試中有助于抑制或延緩熱時空的發生。這里是ELIIY Power的50Ah(106Wh/kg)電池的一個案例，由TUV做的針刺測試。
針刺刺入的位置在電池表面的中心。從鋼針刺入的整個過程來看，該電池沒有觀察到任何異常現象，顯示出較高的安全性(圖2a-2c)。
圖3 鋼針粗細對針刺結果的影響
關于針刺試驗，EC Power利用仿真技術研究了鋼針的粗細對NCM電池(5Ah，120Wh/kg)針刺測試結果的影響。有一組數據可供參考：
20mm的鋼針，針刺位置溫度達到150攝氏度需要150秒。
10mm鋼針，針刺位置溫度達到150攝氏度需要75秒。
5mm鋼針，針刺位置溫度達到150攝氏度僅僅需要2秒(圖3)。
說明采用較細的鋼針，在針刺位置的局部溫升相對更快，更加容易造成電池熱失控。
圖4 LFP 50Ah電池的擠壓測試
圖4同樣是EIILY Power的50Ah LFP電池的擠壓測試，擠壓位置也在電池中間位置。
從擠壓頭擠壓到電池厚度一半左右的位置，電池沒有觀察到任何異常現象(圖4a，4b)。
繼續擠壓時，可以看到電池內部電解液噴射出來(圖4c)。
繼續擠壓時，開始出現少量白煙(圖4d)；擠壓到圖4e位置時，觀察到電池殼體開始發生破裂。
圖4f是100%擠壓變形了，電池殼體已經被擠壓破裂成兩半，并且可以觀察到在右邊半塊電池表面的塑料包裝膜開始受熱收縮，說明此時電池內部溫升較快。
盡管如此，在整個擠壓過程中，電池沒有出現著火、爆炸現象，顯示出較好的安全特性。
圖5 擠壓測試失敗案例
圖5是一個單體電池的擠壓測試的失敗案例。從擠壓頭開始擠壓電池，電池就有少量白煙從頂部冒出(圖5b)，接著就開始噴射出大量白煙(圖5c)，緊接著在第六秒鐘就噴射出大量火星和火焰，電池完全著火爆炸，數秒鐘之內，著火爆炸產生的氣體、煙霧、飛濺出來的殘留物就彌漫到整個測試房間內。
我們看一下鋰離子電池在熱失控后從電池內部都釋放出哪些氣體。當然，由于每種電池的組成、結果、化學狀態都存在差異，釋放出來的氣體各有差異。通常，這些氣體都是可燃的，當熱失控造成電池內部溫度快速上升到一定程度，就有可能觸發燃燒。
這里以一個40Ah NCM/C軟包電池為例說明，它的電解液為LiPF6/EMC/DEC/EC。在充滿電的情況下，通過針刺出發熱失控，從而采集分析釋放的氣體成分。分析結果顯示，釋放出來的氣體成分主要包括：
EMC：碳酸甲酯乙基酯
DEC：碳酸二乙酯
EC：碳酸乙烯酯
Benzene：苯
Toluene：甲苯
Styrene：苯乙烯
Biphenyl：聯苯
Acrolein：丙烯醛
CO：一氧化碳
COS：硫化碳酰
Hydrogen fluoride：這是氟化氫
上述這些物質中，有些是氣體，有些是揮發的液體。前三種物質是電解液本身揮發出來的，后面幾種物質都是在熱失控過程中形成的新物質。上面所有物質都已具有一定毒性的，在一定溫度下都是可燃的。
表1 氣體成分
下面再看一個傳統消費類電池，電池材料為LiCoO2/C，2.1Ah軟包電池，能量為7.7Wh。
觸發熱失控后通過設備采集氣體進行分析，得到表1結果。這里的氣體成分包括：
一氧化碳、二氧化碳、氫氣。
甲烷、乙烷、丙烷、異丁烷、丁烷、異戊烷、異戊烷、己烷、乙烯、丙烯、苯、甲苯、苯乙烷。
其中，在100%SOC和150%SOC下，體積含量最多的是一氧化碳、二氧化碳和氫氣。主要成分是一氧化碳、二氧化碳和氫氣，其余是烷烴、烯烴、苯等有機物，這些也可使可燃氣體。
同時測量釋放出來的氣體的含量(表2)，從50%SOC到100%SOC，熱失控后釋放出來的氣體含量增加了3倍多。在150%SOC，釋放的氣體含量達到了50%SOC下的7.5倍，一個小小的電池竟然可以釋放出這么多的氣體。
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