前言
當前，主流磷酸鐵鋰電池能量密度在200Wh/kg以下，三元鋰電池能量密度在200~300Wh/kg之間，且現(xiàn)有鋰電池能量密度已經(jīng)接近理論極限，限制了鋰離子電池的多場景應(yīng)用。為進一步滿足新能源電池汽車、無人機、潛航器等裝備續(xù)航里程增加的需求，擴展鋰電池使用環(huán)境，需要開發(fā)新型電池體系提高電池的能量密度。
與傳統(tǒng)鋰離子電池一般使用石墨作為負極不同，鋰金屬電池使用金屬鋰作為負極。由于鋰金屬理論比容量達3860mAh/g，遠高于石墨理論比容量372mAh/g，因此鋰金屬電池較石墨負極鋰離子電池具有更高的能量密度。同時，鋰金屬可以與硫、聚合物、氧化物等多種正極材料配對，而不局限于傳統(tǒng)磷酸鐵鋰或三元材料等插層型正極，這種靈活性為極端環(huán)境下的材料選擇提供了更多可能性。電解質(zhì)方面，鋰金屬電池使用液態(tài)電解質(zhì)會存在嚴重的鋰枝晶問題，但是當鋰金屬匹配固態(tài)電解質(zhì)時，電解質(zhì)本身能抑制鋰枝晶生長，因而安全性較液態(tài)電解質(zhì)得到提高，且固態(tài)電解質(zhì)較液態(tài)電解質(zhì)可進一步提高電池體系比能量。因此，固態(tài)鋰金屬電池的研發(fā)，是當下電池研究的一個熱點方向?；诠虘B(tài)鋰金屬電池的熱安全特性研究，對于揭示鋰金屬與固態(tài)電解質(zhì)間的界面反應(yīng)活性規(guī)律、認識和抑制鋰金屬電池熱失控危害、提高鋰金屬電池高溫循環(huán)壽命，均具有重要意義。
仰儀科技BAC-800B大型電池絕熱量熱儀憑借其符合國標GB150的密封倉體外殼、變頻采集速率(最高可達100Hz)以及B型熱電偶測溫(測溫范圍900~1800℃)三重優(yōu)勢，可以很好應(yīng)用于鋰金屬固態(tài)電池熱失控研究。
圖1 BAC-800B大型電池絕熱量熱儀
實驗方案
本次實驗利用杭州仰儀科技BAC-800B大型電池絕熱量熱儀進行10Ah軟包固態(tài)鋰金屬電池熱濫用測試。實驗前在電池不同點位布置N型及B型熱電偶進行測溫，利用夾具固定電池保證熱電偶始終與電池保持緊密連接。實驗過程中通過可編程電源使用加熱絲對電池加熱，電池溫度升高后發(fā)生熱失控。多通道數(shù)據(jù)記錄儀記錄電池的溫度、電壓數(shù)據(jù)。在儀器腔體外部利用高速攝像機對電池保持實時監(jiān)控，實現(xiàn)多維度監(jiān)控及分析。
測試結(jié)果
圖2 軟包固態(tài)鋰金屬電池熱失控(a)溫度&電壓-時間曲線、溫升速率-溫度曲線和(b)附加熱電偶溫度-時間曲線
對圖2的溫度數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)，該電池的熱失控最高溫度845.43℃，熱失控最大溫升速率74628℃/min。而規(guī)格相近的同類型液態(tài)鋰離子電池采用同樣熱濫用方式熱失控最高溫度>1000℃，熱失控最大溫升速率>150000℃/min。可見，固態(tài)鋰金屬電池較液態(tài)鋰離子電池安全性能確實得到提升。
圖3 電池熱失控后爐膛內(nèi)殘骸
由于鋁箔熔點一般為660℃左右，因此，電池熱失控過程中該軟包電池鋁箔被熔化，甚至底部保溫棉也被熔穿。實驗后，爐膛內(nèi)已無明顯電池殘骸。盡管較同類型液態(tài)鋰離子電池安全性能有所提升，但該固態(tài)鋰金屬電池發(fā)生熱失控的危害程度仍然不容忽視。上述實驗數(shù)據(jù)將為研究人員進一步提升現(xiàn)階段固態(tài)鋰金屬電池的安全防護邊界提供重要參考。
總結(jié)
本次實驗利用仰儀科技BAC-800B大型電池絕熱量熱儀進行固態(tài)鋰金屬電池熱失控測試，為研究人員探究固態(tài)鋰金屬電池界面鋰沉積行為機理、界面組分和熱安全管理提供了有力數(shù)據(jù)支撐，同時，也再次驗證了仰儀科技大型電池絕熱量熱儀在新型儲鋰材料和電解質(zhì)體系開發(fā)等鋰電池前沿研究領(lǐng)域，推進固態(tài)鋰金屬電池實際應(yīng)用方面的可靠性和必要性。
