三种正极材料体系的锂离子电池热失控产气分析

引言：

随着锂离子电池的使用越来越广泛，使用的场景也随之增多。为了满足更多的需求，前人已开发了大量不同正极材料的锂离子电池。目前，最广泛使用的是磷酸铁锂电池和三元锂电池，还有一些其他正极材料的锂离子电池也被用在一些特殊场景，如锰酸锂电池和钴酸锂电池。然而，不同类型的锂离子电池所带来的危险越来越明显，其中热失控是主要的危险。在热失控期间，锂离子电池不仅有产热行为，同时也释放出大量的可燃气体，如果这些可燃气体被点燃，将发生火灾或爆炸事故，造成更大的伤害。对于正极材料体系的锂离子电池的产气与产热研究目前仍然不足。

研究内容：

中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室王青松课题组采用绝热加速量热仪（ARC）研究了三种正极材料锂离子电池的产气与产热行为。通过对电池产气的压强与电池的表面温度分析，研究了电池热失控前的产气量与电池安全阀打开的主要原因，最后无量纲分析了不同类型电池的产热和产气之间的关系。

研究结果与讨论：

本文采用ARC和自制的测压密闭罐研究了不同正极材料的锂离子电池在热失控过程中产气和产热之间的关系，得到的主要结论如下：

1）研究了电池在热失控前的内部产气量以及导致电池安全阀打开的产气分压占比。如图1所示，在温度达到T_sc之前，磷酸铁锂电池、锰酸锂电池和镍钴锰酸锂电池所释放的气体量分别为0.094 mol、0.042 mol和0.058 mol。如图2所示，导致磷酸铁锂电池、锰酸锂电池和镍钴锰酸锂电池安全阀打开的压强中产气分压占总压强的29.1、75.2和55.4%。所以，磷酸铁锂电池的安全阀打开主要是由于电解液的挥发。与此相反，锰酸锂电池和镍钴锰酸锂电池的安全阀打开主要是由电池内部气体释放引起的。                                               

图1 NCM、LMO和LFP电池在热失控前产气量

图2 锂电池安全阀打开内部压力中的产气与电解液分压占比

2）通过无量纲分析研究了三种电池产热与产气的关系。如图3所示，在T_onset到T_sc的温度范围内，温度上升的速率最初大于气体产生的速率，但随后小于产气速率。在三种类型的电池中，磷酸铁锂电池的产气率和温升率基本相同，锰酸锂电池和三元锂电池的温升率与产气率呈指数关系。

图3三种正极材料体系锂离子电池产热与产气关系

成果简介：

研究成果已发表在 Journal of Energy Storage期刊上，中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室研究生贾壮壮和秦鹏为论文的共同第一作者，王青松为通讯作者。

Zhuangzhuang Jia^#, Peng Qin^#, Zheng Li, Zesen Wei, Kaiqiang Jin, Lihua Jiang^a, Qingsong Wang*. Analysis of gas release during the whole process of thermal runaway of lithium-ion batteries with three different cathode materials, Journal of Energy Storage 50 (2022) 104302.

 http://doi.org/10.1016/j.est.2022.104302

三种电池产气分析--J. Energy Storage--贾壮壮--中国科大.pdf