图5 挤压测试失败案例
图5是一个单体电池的挤压测试的失败案例。从挤压头开始挤压电池,电池就有少量白烟从顶部冒出(图5b),接着就开始喷射出大量白烟(图5c),紧接着在第六秒钟就喷射中大量火星和火焰,电池完全着火爆炸,数秒钟之内,着火爆炸产生的气体、烟雾、飞溅出来的残留物就弥漫到整个测试房间内。
我们看一下锂离子电池在热失控后从电池内部都释放出哪些气体。当然,由于每种电池的组成、结果、化学状态都存在差异,释放出来的气体各有差异。通常,这些气体都是可燃的,当热失控造成电池内部温度快速上升到一定程度,就有可能触发燃烧。这里以一个40Ah NCM/C软包电池为例说明,它的电解液为LiPF6/EMC/DEC/EC。在充满电的情况下,通过针刺出发热失控,从而采集分析释放的气体成分。分析结果显示,释放出来的气体成分主要包括:
· 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:联苯
· Acrolein:丙烯醛
· CO:一氧化碳
· COS:硫化碳酰
· Hydrogen fluoride:这是氟化氢
上述这些物质中,有些是气体,有些是挥发的液体。前三种物质是电解液本身挥发出来的,后面几种物质都是在热失控过程中形成的新物质。上面所有物质都已具有一定毒性的,在一定温度下都是可燃的。
表1 气体成分
下面再看一个传统消费类电池,电池材料为LiCoO2/C,2.1Ah软包电池,能量为7.7Wh。触发热失控后通过设备采集气体进行分析,得到表1结果。这里的气体成分包括:
·一氧化碳、二氧化碳、氢气
·甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷、丁烷、异戊烷、异戊烷、己烷、乙烯、丙烯、苯、甲苯、苯乙烷
其中,在100%SOC和150%SOC下,体积含量最多的是一氧化碳、二氧化碳和氢气。主要成分是一氧化碳、二氧化碳和氢气,其余是烷烃、烯烃、苯等有机物,这些也可使可燃气体。
同时测量释放出来的气体的含量(表2),从50%SOC到100%SOC,热失控后释放出来的气体含量增加了3倍多。在150%SOC,释放的气体含量达到了50%SOC下的7.5倍,一个小小的电池竟然可以释放出这么多的气体。
动力电池产品关乎用户的生命安全,其安全设计和要求在整个电池系统设计中处于最高优先级。这需要选择合适的电池材料、优化单体电池设计、强化模组和系统的电气安全设计、应用FMEA工具综合考虑/分析各种安全失效模式和应对措施,从而设计出高性能、高安全的动力电池产品。