如何通过量热学提高锂离子电池和锂电池的寿命和安全性

卡尔斯鲁厄理工学院应用材料学院(IAM-AWP)热量计中心的负责人Carlos Ziebert博士解释,如何通过量热学提高锂离子电池和锂电池的寿命和安全性。

IAM-AWP热量计中心成立于2011年,目前运营着欧洲最大的电池量热学实验室。该中心提供六个大小不同的加速速率热量计,能够对不同规格的电池进行测量,可以在绝热和等周期(quasiadiabatic and isoperibolic)的环境下,根据正常和滥用条件(热、电和机械),从材料、电池和电池组级别,评估锂离子和非锂电池的热力学和热安全数据。这些数据可应用于电池价值链的各个层面,比如安全材料设计,以及热管理和安全系统的优化。

在材料层面上,差示扫描量热仪(DSC)、激光导热分析仪(LFA)和非常灵敏的塞塔拉姆C80 Tian-Calvet型量热仪,提供了热力学参数,比如热容、导热系数或材料层面的生成焓等。较大的塞塔拉姆MS80 Tian-Calvet型量热仪,甚至可以匹配21700圆柱形电池。通过直接热流测量,可以非常准确地测定电池在循环过程中产生的热量。利用3D传感器布置来测定热流,其中样品和参考容器都被带有数百个热电偶的环所包围。

非锂电池

这些研究对非锂电池尤为重要。非锂电池利用更加丰富的材料(如钠、镁),而不是锂、镍和钴,并且是 POLiS(非锂储能)卓越集群(POLiS Cluster of Excellence)的研究重点。该项目每年的预算约为700万欧元,计划实施7年。在这个集群中,IAM-AWP热量计中心负责热特性和安全测试,首先进行小规模测试,然后持续安全地扩大电池规模。

目前的锂离子电池

显而易见,消费者是否愿意采取目前的锂离子电池技术,在很大程度上取决于安全问题。因为电池可能因为热失控而着火爆炸,同时释放有毒气体。因此,对于交通和固定存储电气化来说,热管理和安全性至关重要。通过这六种强大的加速速率热量计,可以有效提升电池的热管理、循环寿命和安全性。

充放电过程中热量的产生和耗散,与电池循环器相联系。为了进行相关研究,将电池插入等周期环境热量计(恒温量热计)或绝热量热计(无热交换量热计),通过位于量热计舱盖、舱底和侧壁的加热器和热电偶,调整环境条件。在热管理系统应用中,通过确定比热容和传热系数,将所测得的温度数据,转换为产生和散发热量的数据。

可以通过日历老化和循环老化试验,对电池的循环寿命进行研究。在固定的时间间隔内,观察电池产生的热量和温度变化,作为健康状态的参考值。当电池达到其终止标准时,利用熵测量和电化学阻抗谱,来测量可逆和不可逆热。这些数据可以作为电等效电路模型和老化模型(基于阻抗)的相关参数。此外,还对一些电池进行事后分析,即在惰性气体环境中分解,并确定其化学成分、形态和电极结构的变化。

此外,新电池的安全性,以及老化的潜在危险性,可以通过在加速速率热量计中进行下列三种安全测试来定量确定:

电气滥用:外部/内部短路试验、过充试验、过放试验。

机械滥用:钉状物测试。

热滥用:加热-等待-搜寻试验、斜坡加热试验、热传播试验。

观察自热、热稳定性和热失控,确定电池安全运行的关键参数及其临界值。另一个重要问题涉及气体排放,可在滥用试验期间收集这些气体并进行移地分析。气相色谱分析法采用两种检测器,对气体进行检测和定量,包括质谱分析和热导检测器。了解各种电池滥用情况下产生的气体成分,揭示相应的分解途径,并提示所需要采取的防护措施,例如,延迟或防止由排气物着火或热逃逸引起的电池火灾。

综上所述,电池量热法提供了相关定量和系统数据,反映电池和材料的温度、热量和压力变化,为开发电池提供快速反馈信息,并可作为模拟输入数据加以利用。