鋰電網(wǎng)訊：本文對(duì)比研究了寧德時(shí)代采用NMC811和LFP為正極材料的鋰電池失控傳播過程，主要結(jié)論如下：
1、熱失控傳播特性： NMC811電池在熱失控時(shí)的最高溫度（899°C）顯著高于LFP鋰電池（524°C），并且NMC811鋰電池的熱失控傳播速度是LFP電池的5倍。這表明NMC811鋰電池需要額外的安全措施，如電池間間隔和熱屏障，以滿足安全標(biāo)準(zhǔn)。
2.氣體釋放：NMC811電池在熱失控時(shí)釋放的氣體體積、氣體流量和氣體溫度都高于LFP電池。這要求在NMC811電池模塊中使用通風(fēng)通道或高溫耐受的灌封材料，以隔離通風(fēng)氣體，避免增加熱輸入、磨損和電弧風(fēng)險(xiǎn)。
3.電池?fù)p失：NMC811模塊的破壞程度、材料噴射和側(cè)壁破裂的風(fēng)險(xiǎn)高于LFP模塊。因此，建議使用結(jié)構(gòu)加固的灌封材料或耐高溫材料（如鋼制電池殼）來維持NMC811電池的機(jī)械完整性和暢通的通風(fēng)氣體排放。
由于其較高的鎳含量，NMC811電池具有較高的能量密度。如圖1所示，與LFP相比，NMC811電池重量和體積能量密度分別高出32%和37%。而安全性方面，LFP電池表現(xiàn)出色，不易發(fā)生過熱、燃燒等危險(xiǎn)情況，這得益于其正極材料的穩(wěn)定性和抗熱性能。為了對(duì)比兩者的熱失控傳播過程，選擇寧德時(shí)代的NMC811和LFP電池做研究，電池具體信息如表1所示：213Wh/kg、549Wh/L、96Ah的NMC811電池和164Wh/kg、373Wh/L、160Ah的LFP電池。
圖1 NMC和LFP電池能量密度對(duì)比
如圖2所示，將5個(gè)電池組裝成一個(gè)小模塊，在電池模塊一側(cè)安裝加熱板，對(duì)其中一個(gè)電池進(jìn)行加熱觸發(fā)熱失控，加熱功率6.2W/cm2。在電池之間、電池表面和安全閥附近布置熱電偶監(jiān)測(cè)溫度，最終的實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，同時(shí)熱失控過程中采用攝像機(jī)攝影。
圖2 電池小模塊示意圖
圖3 電池?zé)崾Э貙?shí)驗(yàn)裝置
圖4是電池?zé)崾Э貍鞑サ臏y(cè)量數(shù)據(jù)，主要包括溫度和電壓，藍(lán)色/綠色表示電池間的內(nèi)部溫度，灰色表示模塊的表面溫度。設(shè)定加熱板加熱階段的開始時(shí)間t0=0s。熱失控傳播起點(diǎn)定義為加熱結(jié)束且溫度突然增加的點(diǎn)。NMC811模塊在表面溫度為 371.6°C 時(shí)達(dá)到了這一點(diǎn)。而LFP電池的熱失控發(fā)生時(shí)間要晚得多，溫度為 436.6°C。因于單側(cè)加熱，該過程在電池中產(chǎn)生溫度梯度，NMC811電池模塊正面溫度為 371.6°C，背面溫度為 33.9°C，電池內(nèi)部熱量產(chǎn)生和耗散之間的能量失去平衡，開始發(fā)生熱失控。LFP 電池在電池模塊正面溫度為 436.6°C、背面溫度為 41.6°C 時(shí)進(jìn)入熱失控。NMC811電池的平均最高溫度為899.3℃，明顯高于LFP電池的524.4℃。
圖4 熱失控傳播的測(cè)量數(shù)據(jù)：藍(lán)色/綠色是電池間溫度，灰色是表面溫度，(a) NMC811，(c) LFP。電池電壓：(b) NMC811，(d) LFP。
如圖5所示，電池模塊中一個(gè)電池（如圖5中的電池2）熱失控可以分為3個(gè)階段：階段1，由熱失控的相鄰電池1引起的加熱階段；第 2 階段，在電池2的第一個(gè)卷芯中觸發(fā)熱失控。；第 3 階段：電池內(nèi)部熱失控傳播到電池 2 中的第二個(gè)卷芯。
圖5 電池2熱失控三個(gè)階段
電池?zé)崾Э鼐唧w開始時(shí)間通過以下兩點(diǎn)判定：（1）電池電壓開始下降，即電壓變化為負(fù)值；（2）電池表面上的任何溫度傳感器溫升速率大于10K/s。根據(jù)圖4所示的數(shù)據(jù)和圖5所示的傳播機(jī)理，電池之間的熱失控時(shí)間跨度可以進(jìn)一步細(xì)分為熱失控反應(yīng)時(shí)間ΔtTR和暫停時(shí)間ΔtP,TR，在暫停期間主要發(fā)生向相鄰電池的熱傳遞過程。對(duì)于熱成像儀和影片數(shù)據(jù)，根據(jù)可見的安全閥泄氣的時(shí)間跨度評(píng)估熱失控時(shí)間。
圖6 顯示了兩種電池的熱失控之間的時(shí)間跨度及其組成。對(duì)于LFP電池，熱失控之間的時(shí)間跨度分散在460秒的平均值附近，熱失控反應(yīng)時(shí)間分布在254.2s平均值附近。而對(duì)于NMC811電池，熱失控之間的時(shí)間跨度呈指數(shù)增加，NMC811電池的熱失控反應(yīng)時(shí)間分布在17.4s平均值附近。
圖6 熱失控時(shí)間
對(duì)熱失控的電池進(jìn)行分析，NMC811電池的質(zhì)量損失為39.6-48.7%，這導(dǎo)致機(jī)械完整性和電池之間的夾緊力降低，從而導(dǎo)致更高的熱接觸電阻和更慢的熱傳播。相反，LFP電池保持了機(jī)械完整性，質(zhì)量損失明顯較小，為 20.9-21.6%。
測(cè)試后的NMC-811電池模塊圖像中，可以看到電池殼體的明顯變形和電池蓋的破壞，再加上 45.8% 的材料噴射，導(dǎo)致機(jī)械完整性喪失。雖然最初的排氣是通過安全閥發(fā)生的，但由于溫度高于鋁電池殼體熔點(diǎn)，電池也會(huì)發(fā)生側(cè)壁破裂。而LFP電池僅通過安全閥釋放氣體，并且沒有明顯的側(cè)壁破裂。
圖7 測(cè)試后電池
更詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)閱讀參考文獻(xiàn)：Sch?berl, J., Ank, M., Schreiber, M., Wassiliadis, N., & Lienkamp, M. (2024). Thermal runaway propagation in automotive lithium-ion batteries with NMC-811 and LFP cathodes: Safety requirements and impact on system integration. eTransportation, 19, 100305. https://doi.org/10.14459/2023mp1717758
