阿克伦大学研发剪切增稠电解质 可提升锂电池抗

此外,Zhu表示该研究非常新颖,可以提升锂离子电池的安全性,特别是提升用于电动汽车的锂离子电池的安全性.而且,该剪切增稠电解质还可用于其他用途,如用于防弹储能设备.

引发内部短路原因同样复杂,比如锂离子电池过度充电,枝晶积累到一定程度导致刺穿电池隔膜,从而发生内部短路或是碰撞、穿刺伤害之后直接导致正负极接触而导致热失控。

Zhu博士表示:“电动汽车中锂离子电池的阳极和阴极被一个非常柔软的薄膜以及液体电解质分离开,只将液体电解质替换成固体电解质仍是一项极具挑战性的任务,因为此两种电解质都是多孔结构,需要液体填充孔隙.因此,我们在正常情况下,仍使用类似液体的电解质,但是在冲击情况下,该液体电解质可以增强自己的机械强度,因此,我们研发出剪切增稠电解质.”

内部短路

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电池的散热方式根据导热方式和介质的不同而分为四项:空气冷却、液体冷却、相变材料、和结合冷却(风冷/水冷

具有此种特性的液体称为膨胀物,是一种非牛顿流体.如果电解质也是一种膨胀物,则其可在电池受到外部冲击时,防止电池短路.但是,制成剪切增稠电解质可比混合面粉和水要困难得多了,因为电解质的成分很复杂,包含不同的离子、溶剂和各种添加剂.

外部短路是在两个存在压差的导体在电芯外部接通导致的结果,当外部短路发生时,电池产生的热量无法很好的散去时,电池温度也会随之上升,高温触发热失控。

可以将该电解质想象成水与面粉的混合物,当用手慢慢搅拌面粉和水时,会感受到一丝阻力.但是,如果加快搅拌速度,会明显感觉到很大的阻力.事实上,保龄球可以在水与面粉形成的表面上反弹回来,水与面粉组成的表面在受到冲击的情况下,表现犹如固体.

由于锂离子电池自身具有一定的内阻,在输出电能的同时会产生一定热量,自身温度变高,当温度超出其正常工作温度范围间时,将会损害整个电池的寿命和安全。

Zhu博士和其高分子科学和高分子工程学研究生团队合作,通过创造一个“剪切增稠”电解质(一种能够在冲击下变得更加浓稠的物质),以提升锂离子电池的安全性.该电解质放置在阳极和阴极之间,使阳极和阴极能够抗击冲击,因而在任何碰撞事故下,都不会引起电池起火或爆炸.而在正常情况下,该新型电解质会保持柔软状态.

以上半年的事故数据为基础,从起火原因来看,因充电导致的起火事故共5起,占比50%,成为起火事故的第一诱因;其次是碰撞起火和行驶中自燃各两起,各占20%。从车辆状态来看,静置和充电为一类,电池在静置和使用中都有可能发生起火事故。

尽管电动汽车非常先进,但是其动力来源是一个致命弱点.电动汽车中常用的电池类型之一便是锂离子电池,但是因碰撞或是其他对汽车施加的冲击会导致锂离子电池起火或爆炸,冲击会导致电极内部短路,因“热失控”,小火会蔓延至整个电池以及汽车的其他部分.

过度充电是电滥用中危害最高的一种。由于过量的锂嵌入,锂枝晶在阳极表面生长。其次,锂的过度脱嵌导致阴极结构因发热和氧释放而崩溃(NCA阴极的氧释放)。

Zhu表示:“在初步研究中,我们展示了一种改性低成本玻璃纤维,能够生产剪切增稠电解质,而此类电解质可与商用锂离子电池兼容,表现出非常好的抗冲击性能.与传统的液体电解质相比,此类剪切增稠电解质不会显著降低锂离子电池的性能.在受到冲击时,该电解质会立刻成为固体,并且会因剪切增稠效应,产生更大的力以对抗外部冲击.该解决方案可作为电池组外部热管理系统的补充方案,因为电池组外部热管理系统往往无法应对电池突然遭受外部冲击的情况.”

热滥用一般多为外部环境高或者在温度控制系统不起作用下导致的电池热量过高从而造成的短路,从而引发热失控。

美国阿克伦大学高分子科学副教授Yu Zhu博士表示:“尽管大家在电池热管理方面已经做出了很大的努力,但是最近电动汽车电池起火和爆炸的事故还是让公众很担忧.在大多数情况,电池只有受到外部冲击或撞击等不正常的情况下,才会着火.”

热管理系统主要负责控制温度,确保电池一直处在一个合理的运行温度下。通常,热管理系统由整车控制器控制,在电池包温度异常时,通过空调系统进行及时散热或者加热,保证电池安全以及寿命。

冷却方式的提升

热滥用

氧气的释放加速了电解质的分解,产生大量气体。由于内部压力的增加,排气阀打开,电池开始排气。电芯中的活性物质与空气接触后,发生剧烈反应,放出大量的热,从而引发电池包燃烧起火。

1-8月国内事故的相关统计

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锂离子电池起火的原因分析

在机械滥用中,穿刺伤害最为严重,它可能会导体插入电池本体,造成正负极直接短路。相比之下,碰撞、挤压等,只是概率性的发生内短路;穿刺过程热量的生成更加剧烈,引发热失控的概率更高。

当前电池企业和主机厂都在追求更高的能量密度以获得更多的补贴,却忽视了动力电池最根本的安全属性的问题。近期频繁的事故出现,理应为国内追求高速发展的电动汽车行业敲响警钟。

从原理上来说,热失控的原因主要有以下四个方面:

解决动力电池热失控的主要方法

与外部因素产生的内部短路相比,源于电池制造过程中自发的缺陷而引起的内部短路,程度比较轻微,先天内部短路产生的热量很少,并不会立即触发热失控。而且这种内在缺陷会经过一段时间才会演化为程度较轻的内短路。

内部改进即从电芯内部的材料结构上进行改造,从而使电池具备更好的耐热、散热性能。以目前的研究热点来说,发展固态电解液;对正负极进行结构改造;以及引入安全性更高的隔膜材料都是从内部提升电池热性能的主流方法之一。

从原因上说,热滥用的原因是最为复杂的,电池包的碰撞、损坏,电池内部的结构、性能或是其他热管理系统、空调系统的失灵都可能导致热滥用的发生。

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针对锂离子电池热失控的情况,目前国内主流的解决方法主要从外部保护和内部改进两个方面进行改进。外部保护主要是指系统方面的升级改进,内部改进是指针对电池本身进行提高。

作为纯电动汽车的能量来源,锂离子电池起火的原因主要是电池过热而造成的热失控,这种过热在电池充放电过程中最容易发生。

自今年夏季以来,国内电动汽车起火事故频发,仅8、9月两月发生的电动汽车起火事故数量,就已超过2017年全年电动汽车起火事故总和。

机械滥用

公开资料显示,2018年1-6月新能源电池车在国内共发生8次起火事故,与2017年基本持平,其中5月之后的事故占7起,说明新能源汽车起火主要集中在夏季。从成型及品牌来看,特斯拉、江铃等国内外纯电动汽车均榜上有名。

主要发生在汽车碰撞时,由于外力的作用,锂电池单体、电池组发生变形,自身不同部位发生相对位移,导致电池隔膜被撕裂并发生内部短路;易燃电解质泄漏最终引发起火。

而进入8月和9月以来,公开起火事件已经多达12起,这一数字远高于2016年、2017年一整年的公开起火数量。由于电动汽车起火的原因主要是电池过热,热量无法及时散出而造成的电池高温起火,因而在高温、暴雨等天气频繁地区的夏季多发也在情理之中。

电滥用主要是对电池的使用不当造成的,有外部短路、过度充电和过度放电几种类型。其中,过渡放电导致的危害最小,但是由于过放造成的铜枝晶的增长会降低电池的安全性从而增加热失控的几率。

热滥用主要指在电池中的局部过热,很少独立存在,往往是通过机械滥用和电气滥用发展而来,并且是最终直接触发热失控等事故的一种情况。

  • 固体冷却)几种。

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内部材料及结构的改进

内部短路是由电池的正负极直接接触,当然接触的程度不同,引发的后续反应也差别很大,通常由机械和热量滥用引起的大规模内部短路将直接导致热滥用。

电滥用

纯电动汽车中,动力电池系统是由多个动力电池单体电芯构成,在工作过程中产生大量的热量,聚集在狭小的电池箱体内。如果热量不能够及时地快速散出,高温会影响动力电池寿命甚至出现热失控,从而引发起火爆炸等事故。

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