锂电池的制造流程通常分为三个主要阶段:极片制造、电芯封装和电池活化。在电池活化阶段,目的是确保电池中的活性物质与电解液充分反应,以实现电化学性能的稳定。活化过程包括以下几个关键步骤:预充电、化成、老化、定容等。预充电和化成的目的是为了让正负极材料进行最初几次的充放电来激活材料,形成SEI膜,使材料处于最佳的使用状态。
表1 发生热爆炸时,不同 SOC 电池表面最高温度与耐压罐内部最大压力差值
表2 电池爆炸当量计算结果(平均值)
锂离子电池化成后处于带电状态,极易发生热失控。赵春朋等[1]使用 EV-ARC,对量热仪腔体内的锂离子电池形成热冲击,诱导其发生热爆炸,通过测量锂离子电池热爆炸过程中的初始温度和最高温度,可以计算得到电池发生热爆炸时释放的能量,并将其换算为电池爆热和爆炸当量,获得电池爆炸当量与耐压罐内部压力、电池容量的关系。研究结果表明,电池 SOC 越高,电池在热冲击条件下发生热爆炸的时间越短,电池表面最高温度越高,计算得到的电池爆炸当量也更大,同时耐压罐中的压力值也更大,SOC 接近 100% 时,燃烧速率和爆炸强度约是 SOC为 25% 时的 2.5 倍。而当电池 SOC=0%时,电池不会发生热爆炸,是电池最安全的状态。当电池 SOC=100%时,额定容量2000 mA·h 的 18650 三元锂离子电池发生爆炸时的爆炸当量为 5.45 gTNT,电池表面最高温度达到744.84 ℃,并在 292 mL 的密闭空间中产生 40.69 bar 的压力。总之,18650 型锂离子电池的 SOC越高,即电池内部储存的能量越多,其爆炸危险性越大;所以对于高能量密度的大尺寸动力电池,更要注意电池的热安全性,在电池活化工艺过程中,充分评估工艺安全隐患,综合工艺性与安全性的平衡,避免电池发生起火爆炸。
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