高镍,硅碳电池如何安全的快充

随着动力电池能量密度的持续提高,电动汽车的续航里程也得到了显著的提升,里程焦虑已经得到了很大程度的缓解,但是充电时间过长仍然影响了电动汽车的使用体验。

随着动力电池能量密度的提升,高镍正极材料和硅碳负极材料的使用正在变得普遍,高镍材料较差的热稳定性也对动力电池的安全性带来了严峻的考验。近年来,不少电动汽车都提供了高功率快充功能,虽然能够缩短充电时间,但是过大的充电电流也容易引起电池温度快速攀升,极易引起高能量密度锂离子电池发生热失控。近日,厦门大学的Hang Li(第一作者)和Jun Cheng(通讯作者)等人研究了快速充电过程NCM811/硅碳体系锂离子电池温度变化,并采用模型方法分析了环境温度与最大安全充电电流之间的关系,以及电池的长/宽比对于电池最大安全充电电流的影响。

下图为电池的ARC测试结果,从下图中可以看到当电池的温度高于59.5℃时电池开始自发热,表明电池在温度高于59.5℃时开始进入不稳定状态,因此我们在实际使用中通常要求电池工作温度不高于60℃。当电池温度达到150℃时电池会进入到热失控的过程,电池自发升温速度会达到1000℃/min,直至电池发生起火爆炸。

作者采用COMSOL对锂离子电池在20℃下,以30A、42A和57A电流充电时电池温度和电压的变化进行了模拟仿真,从下图可以看到电池电压仿真结果与实验结果之间的最大误差为0.08V,温度的最大误差仅为2.5℃,表明该模型能够很好的反映电池充电过程中真实温度变化。根据仿真结果,在充电结束时电中心的平均温度分别为36.2℃、41.5℃和45.7℃,可以看到随着充电电流的增大,充电结束时电池的温度也明显提高。

下图为电池在充电结束时电池内部的温度分布,从图中看到在充电结束时正极区域的温度是最高的,正极温度较高的原因主要有两个:1)正极材料的电导率较低,因此在充电的过程中产热较多;2)正极材料的热导率要比负极低,因此充电过程中产生的热量很难在短时内扩散出去,上述的两个原因导致了充电结束时正极的温度较高。同时我们从仿真结果也可以看到,充电电流对于电池内部温度差距具有显著的影响,在30A的电流下电池内部的最大温差为1.42℃,在42A电流下电池内部的最大温差为2.52℃,57A电流下电池内部的最大温差为4.41℃。

从下图中电池内部的温度分布可以看到在充电结束时,电池中间的正极靠近极耳处的温度时最高的,温度最低的位置为靠近负极极耳的位置。

从上面的仿真结果可以看到在靠近正极极耳位置的温度是最高,因此作者以此处温度为参考分析了锂离子电池在不同充电电流下的温度,从而确定锂离子电池最大安全充电电流。根据仿真结果,当环境温度为20℃时,在电池充电电流达到93.48A(1.64C),充电结束时电池内的最高温度达到了59.5℃,达到了锂离子电池安全使用的上限温度。

作者参考厦门年平均温度的变化趋势,给出了10-40℃温度范围内电池的最大安全充电电流(如下图所示),从下图可以看到随着环境温度的升高,电池最大安全充电电流也在下降,最大安全充电电流与环境温度之间的关系可以用下式进行表达,其中x为环境温度,a为-0.07655,b为1.78,c为111.1。

根据仿真结果,当环境温度较低时电池的最大安全充电电流将达到一个稳态值,根据上式1当环境温度降低到0℃时电池的最大安全充电电流可以达到111.1A,但是这仅仅是从温度角度得到的结果,在实际中由于低温下负极动力学条件较差,因此大电流充电时负极存在析锂的风险,因此实际上的安全充电电流远远低于111.1A,上式的计算结果仅适用于高于常温的条件。

基于上述模型,作者还分析了不同长/宽比值与最大充电电流之间的关系,从下图b可以看到当电池的长/宽比为1.61时,上式1中的b值达到最小,这表明此时电池最大安全充电电流受环境温度的影响最小,此时在同样温度下电池充电电流可以达到最大,因此根据仿真结果要使电池获得最大安全充电电流,电池的长/宽比应该设置在1.61附近。

Hang Li采用模型法成功分析了NCM811/硅碳电池在不同环境温度下的最大安全充电电流,同时还分析了电池的长/宽比对于电池最大充电安全充电电流的影响,但是该模型由于没有考虑电池的电化学反应过程,因此在低温下计算结果并不能作为参考。

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Prediction of the heavy charging current effect on nickel-rich/ silicon-graphite power batteries based on adiabatic rate calorimetry measurement, Journal of Power Sources 438 (2019) 226971, Hang Li, ChaoyueLiu, Xiangbang Kong, Jun Cheng ,Jinbao Zhao