三元锂电池挤压热失控火灾安全特性研究

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锂电池滥用引起的新能源电动车火灾安全事故层出不穷,极大损害了人民的生命财产安全。车辆碰撞导致锂电池单体受到挤压会对其产生机械滥用,而碰撞是真实车况中的常见事故,因此研究锂电池挤压后性能变化极为重要。三元锂电池是优质动力源,但现有研究对象主要为方壳磷酸铁锂电池和18650圆柱锂电池,且研究目标主要是结构强度特性,缺少安全特性参数研究。掌握三元锂电池挤压后安全特性参数变化规律将填补锂电池安全防护研究的空缺,还能为锂电池制造升级提供指导方向。本研究以三元软包锂电池为研究对象,采用三点弯曲的机械加载方式,对其开展了不同形状挤压头、不同挤压位置和不同初始荷电状态(SOC)条件下的挤压实验。通过不同条件下锂电池挤压实验采集温度、电压、容量、内阻等主要安全特性参数。通过对比分析,获得了各类不同挤压条件与锂电池安全特性参数之间的影响规律。挤压头形状越尖锐细窄,锂电池温度突升时刻越早,突升温度越高,容量损失越大,内阻升高越多;挤压位置越靠近锂电池底部边缘造成的温升越高,更容易发生热失控,挤压位置越靠近极耳,容量损失越多,内阻值越大;锂电池SOC越高,越容易发生热失控,电压降幅越大,容量损失越多,内阻值越大。利用扫描电子显微镜(SEM)对挤压后锂电池正负极材料进行了微观形貌观测,对比获得上述挤压条件下锂电池正负极材料形貌的变化规律。以锂电池一维电化学热反应原理、三维固体传热和固体力学理论为基础,基于COMSOL软件平台建立了三元锂电池的热仿真和应力仿真模型,开展了各类不同挤压条件下锂电池的温度变化和应力变化仿真。仿真结果表明锂电池挤压后温度及形变规律与实际挤压实验具有较好的一致性。论文获得了不同挤压条件下锂电池的热失控火灾安全特性参数变化规律,对锂电池单体、锂电池箱的生产制造和锂电池管理系统设计具有极为重要的指导意义。
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