严 忠，张 雄，谢 鑫，刘志平，陈高文

(深圳渝鹏新能源汽车检测研究有限公司，广东 深圳 518118)

锂离子动力电池具有循环寿命长、能量密度高、电压高、自放电率低、无记忆效应等优点[1-2]，已成为混合动力汽车和纯电动汽车的主要动力源。但是其自身存在的安全性问题制约了它的发展和推广应用[3-6]。而电动汽车的安全性问题也主要来源于其动力锂电池[7-9]。锂离子电池的安全问题主要体现在热失控引起的起火、爆炸等方面[10-11]。本文就不同材料体系的圆柱型锂单体电池进行热失控试验研究，并探究其对安全性能的影响。

1 试验过程

1.1 试验样品

试验样品为圆柱型单体电池，其种类及相关参数见表1。

表1 试验样品圆柱单体电池的种类及相关参数

1.2 热失控试验方法

1) 试验环境温度为25 ℃±2 ℃，大气压力为 86～106 kPa，相对湿度为15%～90%。将试验电池充电到100% SOC后，再对其用1 C电流继续充电12 min[12]。

2) 使用环状加热装置，为确保加热丝紧固状态参数一致，组装时使用同一个3 Nm扭力扳手，并在电池表面安装温度传感器。温度传感器布置在远离热传导的一侧，即安装在加热装置的对侧，如图1所示。温度、电压数据的采样时间间隔为1 s[13]。

图1 温度传感器的布置示意图

3) 立刻启动加热装置，将加热功率调成200 W对电池外壳的加热丝进行加热。当发生热失控或者监测点温度达到300 ℃时，停止加热，关闭加热装置[14]。

4) 热失控判定。a) 触发对象产生电压降，且下降值超过初始电压的25%；b) 监测点温度达到电池厂商规定的最高工作温度(一般以中心监测点温度T2为准)；c) 监测点的温升速率dT/dt≥1 ℃/s。 当a)和c)或者b)和c)同时发生时，则判定发生热失控[15]。

2 试验结果与分析

2.1 三元圆柱型锂离子电池热失控

图2(a)为三元锂离子电池热失控温度和电压曲线，该单体电池厂商规定的最高正常工作温度为60 ℃。刚开始加热时，电池表面上的测点温度逐渐上升。当加热时间达到300 s时，电池表面测点温度T1、T2、T3分别为100 ℃、130 ℃、80 ℃，电压下降至0 V。此时出现第一次温度突升，对应着电池内部短路的发生，不同温度测点稍有区别，这与电池不同部位的产热有关，但还未发生热失控。加热持续，电池中部表面点的温度T2迅速爬升。当加热到500 s时,监测点T1、T2、T3温度分别达到了180 ℃、200 ℃，170 ℃，此时监测点温升速率dT/dt都≥1 ℃/s,达到热失控判定的a)、b)和c)条件，电池发生热失控。电池发生热失控后，其热量短时间内迅速累积并释放大量能量，出现第二次温度急剧上升，监测点T1、T2、T3最高温度分别为230 ℃、500 ℃、200 ℃。三元圆柱型电池在热失控后有剧烈的爆炸及明火产生，且火焰通明。

2.2 磷酸铁锂圆柱型锂离子电池热失控

图2(b)为磷酸铁锂电池的温度和电压试验曲线，该单体电池厂商规定的最高正常工作温度为60 ℃。随着加热的进行，在500 s时，电池表面T1、T2、T3监测点温度分别为80 ℃、150 ℃、70 ℃，且电压出现小幅度下降，由3.95 V下降至约3.5 V，主要是由于缠绕的加热丝存在局部温度过高而导致电池局部发生微短路引起的，但还未发生热失控。加热持续，电池的温度继续上升，当加热至1 000 s时，电池电压下降至0 V，此时监测点温度T1、T2、T3分别为200 ℃、250 ℃、150 ℃，且它们的温升速率dT/dt都≥1 ℃/s，达到热失控a)、b)和c)判定条件，电池发生热失控。热失控后T1、T2、T3的最高温度分别达到了约350 ℃、450 ℃、300 ℃。磷酸铁锂圆柱型电池在热失控后伴有浓烟现象，但无爆炸及火焰产生。

2.3 钛酸锂圆柱型锂离子电池热失控

图2(c)为钛酸锂电池热失控的温度和电压曲线，该单体电池厂商规定的最高正常工作温度为60 ℃。随着加热的进行，电池的温度逐渐上升，当加热至1 500 s时，电池表面测点的温度T1、T2、T3分别为50 ℃、60 ℃、50 ℃，电池的电压出现略微的下降,电池未发生热失控。随着加热的持续进行，温度继续上升，当加热至1 800 s时，电压下降至约1 V，监测点温度T1、T2、T3分别为60 ℃、280 ℃、100 ℃，且它们的温升速率dT/dt都≥1 ℃/s，达到热失控a)、b)和c)判定条件，电池发生热失控。热失控后T1、T2、T3的最高温度分别为120 ℃、380 ℃、150 ℃。钛酸锂圆柱型电池发生热失控后，仅发生轻微的冒烟和漏液现象，无明火产生。

(a) 三元电池热失控曲线

(b) 磷酸铁锂电池热失控曲线

(c) 钛酸锂电池热失控曲线

2.4 热失控结果分析

不同电池热失控的主要参数对比见表2。

表2 发生热失控时的主要参数对比

图3(a)和图3(b)分别对比了3种材料体系的电池在热失控过程中的电压以及中心点(T2)温度的变化情况。结果表明：三元材料体系电池在持续加热至300 s时，电压骤降为0 V，且在热失控过程中会在短时间内迅速累积热量并释放大量能量，热稳定性较差；而磷酸铁锂电池加热至1 000 s时，电压下降为0 V,在热失控时没有起火，但电池泄压阀打开，并伴有浓烟产生，释放了一定的能量；钛酸锂材料体系的电池热稳定性较好，也不易触发热失控，持续加热至 1 800 s时，此时电压才逐渐降为1.0 V，在热失控后仅产生少量的烟雾，且在该过程中释放的能量较低，不易产生内部结构上的损坏。

(a) 电压变化

(b) 中心点T2温度变化

3 结束语

试验中使用的三元、磷酸铁锂以及钛酸锂圆柱型单体电池在热失控试验中，电池在触发热失控后，在热失控的引发上表现出一定的规律性。结果表明，本试验方法可有效模拟验证不同材料体系的锂电池，采用电阻丝加热引发热失控对安全性能的影响。