研究背景：

方形動(dòng)力鋰電池一般有fuse(熔斷絲)、(OverchargeSafetyDevice，過充保護(hù)裝置)和vent(防爆閥)三大安全設(shè)計(jì)要素。fuse會(huì)在電池短路時(shí)斷開起到保護(hù)作用。OSD和vent都是受電池內(nèi)部壓力驅(qū)動(dòng)，過充狀態(tài)下電池內(nèi)部大量產(chǎn)氣導(dǎo)致OSD啟動(dòng)造成電池正負(fù)極短路、fuse熔斷，當(dāng)電池內(nèi)部壓力進(jìn)一步增大時(shí)vent爆開釋放壓力避免電池發(fā)生爆炸。

電池在內(nèi)短路和過充、加熱等濫用條件下存在熱失控風(fēng)險(xiǎn)。關(guān)于方形動(dòng)力鋰電池，除了爆炸等極端案例，熱失控最常見的現(xiàn)象是vent爆開、大量煙霧和火焰從vent噴出。由于vent爆開時(shí)電池內(nèi)部壓力已經(jīng)很大(一般大于0.8MPa)，電池?zé)崾Э剡^程極為迅猛，通過普通的視頻記錄已經(jīng)無法了解其詳細(xì)過程。最近，來自清華大學(xué)歐陽明高團(tuán)隊(duì)的王賀武德等人利用最大拍攝頻率為10幀/秒的高速攝像機(jī)深入研究了NCM622電池在中等SOC下熱失控vent爆開、內(nèi)容物噴射過程，進(jìn)一步加深了對(duì)電池?zé)崾Э氐恼J(rèn)識(shí)。成果以“鋰離子動(dòng)力鋰電池中等荷電狀態(tài)下熱失控產(chǎn)物噴發(fā)過程研究”為題發(fā)表在最近的《儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)》上。

圖文淺析：

實(shí)驗(yàn)所用的方形動(dòng)力鋰電池信息具體如表1所示。電池為NCM622/石墨體系，標(biāo)稱容量50Ah，標(biāo)稱電壓3.65V，重量900g，電池工作電壓區(qū)間為2.75-4.25V。電池殼體材料為鋁合金，vent為鍵槽型，長度22.4mm，寬度12.4mm，vent啟動(dòng)壓力約為0.5MPa。

圖1.實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。

如圖1所示，為了研究了電池?zé)崾Э貒姲l(fā)過程，作者設(shè)計(jì)了一套耐高壓的密閉實(shí)驗(yàn)裝置。高壓密閉容器的容積為230L，能承受的最大壓力為2MPa。電池放置在絕緣板上，功率為5kW的電加熱器同絕緣加熱板有一定距離，電加熱器通過加熱空氣以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的加熱最終觸發(fā)熱失控。高速攝像機(jī)在輔助光源幫助下對(duì)電池?zé)崾Э貒姲l(fā)過程進(jìn)行拍攝，攝像機(jī)最大拍攝幀率為10萬幀/秒。容器內(nèi)含溫度傳感器和壓力傳感器，其中溫度傳感器T1和T2監(jiān)測電池?zé)崾Э厣淞鲄^(qū)溫度，T3監(jiān)測環(huán)境溫度，T4和T5監(jiān)測電池本體溫度，P1用于監(jiān)測容器內(nèi)部壓力。為了避免電池?zé)崾Э乜赡茉斐傻膬x器損壞和噴發(fā)物燃燒、爆炸問題，實(shí)驗(yàn)時(shí)電池處在50%SOC，同時(shí)容器內(nèi)為N2氣氛。容器內(nèi)初始?jí)毫?.02MPa，稍高于環(huán)境大氣壓力。

圖2.噴射流外形輪廓演化過程。

圖2上圖為噴射流在不同時(shí)刻的灰度圖像，下圖為經(jīng)過濾波等處理后的輪廓圖像。可以看到最開始噴射流從vent兩側(cè)流出時(shí)外輪廓為帶狀(圖2a和圖2f)，隨后在vent上方形成上小下大的錐形外輪廓(圖2b和圖2g)。隨著時(shí)間的推移，噴射流外輪廓變成無定型(圖2c和圖2h)，隨后又變成上大下小的倒錐形(圖2d和圖2i)，最后慢慢消失(圖2e和圖2f)。圖2展示的初始0.4s內(nèi)噴射流的演變過程，從外輪廓的變化可以看到噴射流的波動(dòng)，表明噴射過程并不穩(wěn)定。

圖3.噴射流相態(tài)的變化。

圖3給出了噴射流灰度圖像的變化過程，灰度值的變化反映了流體性質(zhì)包括相態(tài)的改變。在第一次噴發(fā)過程中，射流段灰度值總體上呈現(xiàn)出先減小后新增再減小的趨勢(shì)。隨著電池溫度升高，電池內(nèi)部壓力在電解液蒸氣與內(nèi)部產(chǎn)氣的共同作用下逐漸達(dá)到vent開啟壓力。此時(shí)，受制于電解液飽和蒸氣壓的限制，電池內(nèi)部電解液重要存在形式為液態(tài)。在射流初期，由于內(nèi)部壓力極高，高速氣流產(chǎn)生的剪切力攜帶液態(tài)電解液噴射而出并霧化，灰度值偏亮，而且此時(shí)較大的剪切力有可能拋射出固體顆粒（圖3a）；隨著電池內(nèi)部壓力降低，大量電解液以液態(tài)的形式噴射而出，并攜帶電池內(nèi)部黑色絮狀物，灰度值偏暗（圖3b）；該電池電解液中重要成分碳酸甲乙酯和碳酸二乙酯在常壓下沸點(diǎn)分別為107℃和126℃，在vent開啟后，電池由密閉系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)殚_口系統(tǒng)，此時(shí)電池溫度遠(yuǎn)高于電解液沸點(diǎn)，因此在電解液噴射的過程中內(nèi)部電解液迅速蒸發(fā)，形成新一輪的噴射，此時(shí)為霧狀噴射產(chǎn)物的噴出，灰度值偏亮，夾帶著破碎的固態(tài)隔膜（圖3c）；當(dāng)電解液消耗殆盡時(shí)，第一次噴發(fā)過程衰減，隨著電池內(nèi)部產(chǎn)氣反應(yīng)維持射流狀態(tài)，此時(shí)可以觀察到氣體、液體混合噴射的特征，灰度值接近背景的灰度值（圖3d）。由此可見，整個(gè)第一次噴發(fā)過程中射流出現(xiàn)了氣、液、固三種相態(tài)，因此鋰離子電池熱失控產(chǎn)物噴射是一種復(fù)雜的多相的瞬態(tài)射流。

圖4.vent啟動(dòng)過程。

vent是方形電池中的重要安全結(jié)構(gòu)件，了解其微觀啟動(dòng)過程可以更好地對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)。在電池內(nèi)部不斷升高的壓力作用下，vent先在一側(cè)打開，另外一側(cè)與電池還保持連接狀態(tài)。從vent剛剛打開（圖4a）到vent大部分打開（圖4d），歷經(jīng)了0.4ms的時(shí)間。在此過程中，覆蓋在電池安全釋放閥上方的透明防塵保護(hù)塑料薄膜已有變形，這是由于來自電池傳熱、熱氣流的加熱作用。在初期噴射流的壓力作用下，保護(hù)膜中心位置變形顯著，呈現(xiàn)球型凸起，隨著壓力的升高和變形的加劇，保護(hù)膜完全脫離電池安全釋放閥表面，并在氣流的作用下與電池本體剝離（圖4d）。

小結(jié)：利用高速攝像機(jī)觀察電池?zé)崾Э剡^程是很好的研究，相信后續(xù)可以得到更多的有益結(jié)果。不過根據(jù)以往的加熱觸發(fā)電池?zé)崾Э氐慕?jīng)驗(yàn)來看，該研究所采用的加熱方式所耗費(fèi)的時(shí)間應(yīng)該非常長。此外，在壓力容器中測試還可以得到電池?zé)崾Э禺a(chǎn)氣速率、產(chǎn)氣量等信息，對(duì)后續(xù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有幫助。最后還有個(gè)很有意思的問題：電池?zé)崾Э貢r(shí)噴射流的噴出速度究竟是多少呢？高度會(huì)達(dá)到多少？