电池过充的失效过程及机制

汽车   2024-07-17 15:57   浙江  

过充指的是电池电压高于规定电池使用的上限电压。在现在的电动车上,电池管理系统(BMS)已经较为成熟,若电池管理系统正常工作,电池一般不会过充电。但当电池系统和充电器的电压识别功能失效时,不能识别电池已经达到上限电压,电池继续充电,就会发生过充;或者,当电池系统和充电器的开关关闭功能失效时,电池在充满电后不能停止,仍继续充电,也会发生过充。

1.过充电失效的机制
Ren 等通过 NCM+LMO/石墨电池的过充电测试对锂离子电池的过充电失效过程进行了研究,过充曲线如图5-16所示。

图5-16 过充电过充电压、温度、内阻的变化曲线
将过充的失效过程及机制分为以下四个阶段,如图5-17所示。
第1阶段:电池电压稳定上升,逐渐超过其标称上限电压,开始过充。此时电池内部没有明显的副反应,电池温度和内阻几乎没有增加。

图5-17 (a-b-c)
第2阶段:当电池过充至 SOC(state of charge,荷电状态)高于1.2时,电池内部会发生副反应。在正极处,在正极高电位条件下 NCM+LMO 复合正极中Mn 离子的溶解和电解液的氧化开始进行。同时,石墨负极充满插层锂后,金属锂开始在负极表面沉积。沉积的锂会与溶剂反应使 SEI 膜变厚,导致电池电阻增加。在第二阶段,由于焦耳热和副反应产生的热量,电池温度开始缓慢上升,电池开始明显膨胀。随着正极电位的升高,电解液氧化加速,产生大量的热和气体,如图5-17(c)。
第3阶段:锂在负极表面继续沉积。随后锂化石墨与电解液发生反应。随着正极电位的升高,电解液氧化加速,产生大量的热和气体,电池温度上升较快,电池开始明显膨胀,如图5-17(d)。电池电压在5.2V 左右达到峰值后略有下降,主要原因是正极活性材料的结构变化。

图5-17 (d-e)
第4阶段:电池内部压力超过极限导致电池破裂,导致隔膜变形,产生热失控。发生剧烈的内部短路,电池内部储存的能量瞬间全部释放,使电池温度达到780°C左右的峰值,如图5-17(e)。


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本文摘编自《电动汽车用锂离子动力电池设计与制造技术》(王芳等著.  北京 :科学出版社, 2024. 6)一书 ,有删减,标题为编者所加。

 

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