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德耐隆浅谈热失控不起火不爆炸的长城大禹电池
来源:财讯网作者:洞察网2021-07-12 10:28:45

为追求长续航里程,高能量密度动力锂离子电池得到了大力发展。然而,动力锂离子电池热失控也是近些年电池起火、爆炸等事故频现报道的主要原因。因此,高能量密度锂离子电池的热失控问题是电动汽车进一步发展面临的亟需解决的难题,尤其是如今电池容量技术尚未得到革命性的进步,而各大厂家都在以续航作为卖点时,电池包的安全问题尤为值得注意。

6月29日,长城汽车在其科技节期间正式发布了“大禹电池”,可有效解决不同化学体系电芯发生热失控之后的起火、爆炸问题。同时值得一提的是,长城汽车大禹电池将为全行业免费开放专利。

德耐隆浅谈热失控不起火不爆炸的长城大禹电池

01什么是大禹电池?

据长城汽车官方介绍,大禹电池采用三元811大容量高镍电芯,通过数十项核心技术专利,8大全新设计理念,实现热失控情况下实现不起火、不爆炸。采用多梯次换流系统、快速极冷抑制系统、多级定向排爆系统、灭火盒系统来从Pack层级保障电池安全。

02大禹电池结构是如何?

大禹电池采用三元811大容量高镍电芯,长城方面表示,“大禹电池”的核心优势在于“大容量高镍电芯”、“电池包内任意位置”、“单个或多个电芯触发热失控”的情况下均能实现不起火、不爆炸。采用多梯次换流系统、快速极冷抑制系统、多级定向排爆系统、灭火盒系统来从Pack层级保障电池安全。据悉,“大禹电池”计划于2022年全面应用于长城汽车旗下产品,同时面向下一代全新电动车平台,基于电池PACK与整车深度融合,将动力电池安全提升到全新高度。

03大禹电池是如何做到热失控不起火?

长城方面表示,“大禹电池”设计融入8项全新设计理念——“热源隔断、双向换流、热流分配、定向排爆、高温绝缘、自动灭火、正压阻氧、智能冷却”设计,并布局数十项核心技术专利,主要覆盖热源抑制、隔离、冷却、排出等领域。具体来看:

热源隔断

电芯间采用公司全新开发的双层复合材料,实现既能隔离热源,又耐火焰冲击,有效解决了传统气凝胶不耐冲击的痛点。

双向换流

失控过程中会产生大量高温、高压气火流,通过双向换流可实现热源在电池包内安全流动,减少热源对相邻模组热冲击,避免二次引燃。

热流分配

通过燃烧模型、热流体力学、冲击强度和压力计算等应用研究,可实现气火流在多种结构通道内的均匀分布。

定向排爆

结合电芯防爆阀位置,设计热失控后气火流路径,并通过分流、导流,双向换流将火源快速引导至灭火通道并安全排出。同时对高压连接及高压安全区域进行高温绝缘防护,消除高压起弧危险。

自动灭火,正压阻氧

在定向排爆出口设置多层不对称蜂窝状通道,可保持包内压力始终高于包外,避免因氧气进入导致二次燃烧。

智能冷却

当电池管理系统有效识别电芯已触发热失控,通过BMS和云端双重监控,整车可快速开启冷却系统并抑制电池热扩散。

长城表示,在测试实验中采用了中心电芯的双电芯加热至热失控,实验中最高温度超过1000摄氏度,但全程仍无起火爆炸,并且排出的烟气温度也控制在100度左右。

德耐隆浅谈热失控不起火不爆炸的长城大禹电池

04高镍三元电池热反应机理

根据中国北方车辆研究所、北京电动车辆协同创新中心的研究表明,高能量密度锂离子电池高镍三元电池使用过程中易发生热失控现象,存在不可忽视的安全隐患,其热失控主要是 由正极材料及电解液的相关热反应造成的。

目前为止,关于高镍三元材料作正极的全电池的热失控机理尚未见报道,但可借鉴其他正极材料体系的电池热失控机理研究。2003年,Spotnitz分析了锂离子电池热失控的主要过程:在约100℃开始发生电极 -电解质界面膜(SEI膜)的分解,150~200℃主要进行电解液与碳负极的反应,200~300℃正极材料分解并与电解液反应,300℃电解液开始分解,随后进入不断进行链式放热反应的热失控过程。该研究表明,锂离子电池的热失控主要是由正极材料、电解液的热反应所引发。但该研究还存在正极材料/电解液热反应热过程不明晰, 产热、产气无定量分析的问题。

德耐隆浅谈热失控不起火不爆炸的长城大禹电池

高能量密度锂离子电池正极材料的相转变及氧释放示意图

高镍三元材料的表面包覆可抑制电解液与正极材料的副反应,抑制材料的相转变,提升热稳定性,常见的表面包覆物主要有惰性氧化物和磷酸盐等。电解质界面稳定性,改善了材料的热稳定性,从而提升其安全性能。

高镍三元材料的特殊结构设计也可提高其热稳定性。高镍材料常见的特殊结构主要有核壳结构和浓度梯度。

在热稳定性改善方面,研究者们大多单独改善高镍三元正极材料或电解液的热稳定性。然而,改善高能量密度锂离子电池的安全性能,不应仅从正极材料(高镍三元材料)或电解液方面分别入手,还需考虑正极材料与电解液的匹配问题。因此,研究者一般通过正极材料和电解液的热稳定性改善和匹配研究,保证高能量密度锂离子电池电性能的同时,提升其安全性能。

05多重保障

从上述实验得知,温度对电池包内部的影响是不能忽视的!为了减少重量及成本, 配件对材料减薄及实际保温隔热有持续的需求,然而这对于材料的可靠性甚至换热性能都会带来新的挑战,未来也将通过保温材料优化解决。

德耐隆Telite®产品由二氧化硅及陶瓷纤维毡复合制备而成,产品内部具有纳米级 空隙可以减慢热传导,提供最低的热传导值,抗热冲击性优异。该纤维毡能够在压缩70%后完全回弹,能够承受自身重量的数千倍的重压而不发生碎裂,过千次压缩循环测试后仍具有很好的回弹性。更重要的是,这种纳米氧化硅纤维毡能够在1500℃丁烷火焰和液氮中保持良好的柔性,长期使用温度为1200℃。高温下稳定性好,不脆裂。可作为高温隔热密封垫,阻隔热短路,熔融金属处密封垫,隔离(防烧结)材料领域。

德耐隆浅谈热失控不起火不爆炸的长城大禹电池

电池包保温隔热防水防火专用材料德耐隆Telite®的关键技术包括导热、隔热、保温,低应力缓释技术,新型阻燃技术技术,在协助电池进行热管理、降低温差、实现热平衡;撞击、跌落、爆炸瞬间完成冲击力缓释;实现在高温、过充、刺穿防爆中的阻燃隔热效果等方面将取得决定性的作用。

德耐隆改性耐火隔热毡材料能在各种电子设备和汽车应用中脱颖而出,并且能应对大容量动力电池系统和其他部件的设计和生产的挑战,主要归功于以下特点:

•产品密度150kg/m³(GB/T5480-2008)

•长期服务温度-200℃至1200℃ (GB/T17430-1998;ASTM C 447)

•压缩强度(变形10%:≥67kPa;变形25%:≥250kPa)

•产品憎水率≥98%(GB/T10299-2011)

•导热系数不高于0.02W/m.k(GB/T10295-2008;ASTMC 447)

•加热线收缩率<[email protected](ASTM C 356)

•燃烧等级A级(GB 8624-2012)

[责任编辑:linlin]

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