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通常,鋰電池的熱失控是受到3種濫用的影響而引起的,分別是機械濫用、電濫用、熱濫用。
機械濫用指電池受到碰撞、擠壓、針刺等外部受力,使鋰電池內部隔膜破裂,促使正極與負極相連,從而引發內部短路。
電濫用指電池受到內部、外部短路,過充、放電,一旦鋰電池內部出現短路,大量熱量會被釋放,更高溫條件下的化學反應會被觸發,這些反應又進一步地釋放熱量,這就相當于外部熱源不斷對電池加熱,即熱濫用
熱濫用指電池受到外部加熱,一旦電池內部熱量積累到一定程度,熱失控爆發
圖源網絡
鋰電池是由正極、負極和電解液組成的。在鋰電池內部,正極和負極之間存在隔膜,不會直接反應,主要是正極和負極自身及它們分別于電解液的化學反應。
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正極和電解液的反應
正極材料是在過渡金屬氧化物基礎上發展而來,正極的熱分解會釋放出大量的氧氣,而氧氣正是發生熱失控的必備因素。另外,二氧化碳會因為氧氣的存在大量析出,同時還有煙霧C2H5F。
負極和電解液的反應
負極表面包裹著固態電解質界面(SEI),用于阻止負極與電解液的直接反應。一旦SEI分解,負極將直接暴露在電解液中,并與電解液之間反應。
電解液反應
除了正極、負極與電解液的反應外,電解液自身也會發生分解。
鋰電池內部化學反應的不同,產生了不同的固體產物和氣體產物,并釋放大量熱量。當大量熱量積累過度后,鋰電池的熱失控將被觸發。
通過對鋰電池內部化學反應的梳理發現,鋰電池在升溫過程中會析出多種氣體:O2、CO2、C2H4、C4H10、POF3、C2H5F、PF5、H2等。換而言之,不同的氣體是不同化學反應的必然產物。
對鋰電池熱失控的預警診斷是保證鋰電池可靠工作的重要前提。因此,析出氣體可以作為特征量被用于鋰電池熱失控的預警診斷。
不過,鋰電池在正常工作時也會產生一部分氣體,如CO、C2H4和C4H10,與溫度升高情況下產生的氣體存在差異,根據二者的顯著不同,例如氣體含量、氣體變化率、氣體種類等方面,綜合監測可以實現對鋰電池熱失控更為精確的預警。在實際應用中,需要選擇針對性的傳感器,并設定相應閾值進行判斷。
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