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半固態(tài)磷酸鐵鋰電池與鈦酸鋰電池安全性分析

2021-12-11 21:25:55·  來源：電動學(xué)堂  作者：張偉先等  
　
文章來源：1.大功率交流傳動電力機(jī)車系統(tǒng)集成國家重點實驗室；2.中車株洲電力機(jī)車有限公司3.武漢地鐵運營有限公司；4.武漢地鐵集團(tuán)有限公司0引言近年來，鋰電池
文章來源：1.大功率交流傳動電力機(jī)車系統(tǒng)集成國家重點實驗室；2.中車株洲電力機(jī)車有限公司3.武漢地鐵運營有限公司；4.武漢地鐵集團(tuán)有限公司
0引言
近年來，鋰電池在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，其主要作為列車輔助備用電源、備用動力牽引源及動力電源。能量密度、功率密度、循環(huán)壽命和安全性是鋰電池的關(guān)鍵指標(biāo)，其中安全性指標(biāo)是軌道交通車載儲能大規(guī)模應(yīng)用的第一指標(biāo)。鈦酸鋰電池和半固態(tài)磷酸鐵鋰電池是目前電池類型中相對安全的儲能器件，前者采用三維尖晶石結(jié)構(gòu)，其平臺電位約為1.55V，不易產(chǎn)生鋰枝晶，避免了刺穿隔膜造成內(nèi)部短路；后者固態(tài)電解質(zhì)的熔點超過170℃，分解溫度超過350℃，而市面上隔膜的收縮溫度一般低于130℃，熔點一般低于160℃，破裂溫度一般低于180℃，因此隔膜在高溫下收縮破損后固態(tài)電解質(zhì)依然可以保證完整性，作為第二層保護(hù)隔絕正負(fù)極接觸，從而緩解熱失控進(jìn)程。為了進(jìn)一步評估這兩種電池對軌道交通列車的適應(yīng)性，本文基于標(biāo)準(zhǔn)Q/CRRCJ39—2019《軌道交通動力電池單體和模塊》，對鈦酸鋰電池和半固態(tài)磷酸鐵鋰電池進(jìn)行安全性試驗，對比研究針刺、極限過充、短路、極限加熱過程中器件的安全性能，評估其在軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用的可能性。
1安全性對比試驗
1.1鋰電池性能參數(shù)
本次試驗所用半固態(tài)磷酸鐵鋰電池及鈦酸鋰電池的性能參數(shù)如表1所示。

1.2安全性測試方法
1）針刺試驗。
將電池按標(biāo)準(zhǔn)要求的充放電條件充至滿電狀態(tài)，后采用φ8mm的耐高溫鋼針以（25±5）mm/s的速度從垂直于電芯極板的方向貫穿，貫穿位置靠近所刺面的幾何中心。鋼針停留在電芯中1h，觀察并記錄電池中心、正極耳、負(fù)極耳、鋼針的溫度變化和電池端電壓的變化。
2）極限過充試驗。
將電池按標(biāo)準(zhǔn)要求充至滿電狀態(tài)，靜置1h后，以1C恒流充電至起火爆炸或設(shè)備最高量程19V，監(jiān)測電池中心、正極耳、負(fù)極耳的溫度變化和電池的荷電狀態(tài)、端電壓的變化。標(biāo)準(zhǔn)只要求充電至終止電壓的1.1倍或滿電荷的1.15倍，試驗要求遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)。
3）短路試驗。
將電池按標(biāo)準(zhǔn)要求充至滿電狀態(tài)，靜置1h，外接小于5mΩ的電阻，短路1h，或短路至電池起火或爆炸，或電池電壓達(dá)到0V。監(jiān)測電池中心、正極耳、負(fù)極耳的溫度變化和電池端電壓、放電電流的變化。
4）極限加熱試驗。
將電池按標(biāo)準(zhǔn)要求充至滿電狀態(tài)，靜置1h，以5℃/min的速率由室溫升溫至電池起火或爆炸，或達(dá)到200℃，保持30min后停止。監(jiān)測電池中心、正極耳、負(fù)極耳的溫度變化和電池端電壓的變化。標(biāo)準(zhǔn)只要求溫升至（130±2）℃并保溫30min，試驗要求遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)。
2安全性能測試結(jié)果分析
2.1針刺試驗分析
針刺試驗結(jié)果如表2所示，試驗過程中樣品電壓、各采集點溫度變化曲線如圖1所示。


針刺試驗前后，兩組試驗對象僅存在些許壓降及一定溫升，除此之外無明顯表現(xiàn)現(xiàn)象。
2.2極限過充試驗分析
極限過充試驗結(jié)果如表3所示，試驗過程中樣品電壓、剩余可用電量占總?cè)萘康陌俜直龋⊿OC）、各采集點溫度變化曲線如圖2所示。

極限過充試驗中，鈦酸鋰電池出現(xiàn)起火，半固態(tài)磷酸鐵鋰電池在鼓包一段時間后泄氣并過充至19V。根據(jù)測試曲線，半固態(tài)磷酸鐵鋰電池過充持續(xù)時間僅10min，發(fā)生過充故障時SOC為117%；鈦酸鋰電池過充持續(xù)時間48min，發(fā)生過充故障時SOC為218%。在起火前，鈦酸鋰電池溫升變化率低于半固態(tài)磷酸鐵鋰電池，起火瞬間溫度產(chǎn)生突變。兩種電池均能符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，且鈦酸鋰電池的過充能力（耐受過充時間）遠(yuǎn)高于半固態(tài)磷酸鐵鋰電池。
2.3短路試驗分析
短路試驗結(jié)果如表4所示，試驗過程中樣品電壓、電流及各采集點溫度變化曲線如圖3所示。

短路試驗中，兩種電池的最大短路電流均大于800A，最大溫升在100K左右，半固態(tài)磷酸鐵鋰電池存在明顯鼓包現(xiàn)象，鈦酸鋰電池?zé)o明顯表現(xiàn)現(xiàn)象。
2.4極限加熱試驗分析
極限加熱試驗結(jié)果如表5所示，試驗過程中樣品電壓、各采集點溫度變化曲線如圖4所示。

極限加熱試驗過程中，兩組電池均在200℃以下發(fā)生溫度突變，同時電壓快速降低至0V并伴隨著較為劇烈的冒煙現(xiàn)象。兩種被試品的過溫能力都遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的130℃，具有較高的安全性。

3結(jié)束語
通過對比試驗可知，鈦酸鋰電池和半固態(tài)磷酸鐵鋰電池均具有較高的安全性。鈦酸鋰電池具有很高的過充能力，可長時間承受過充；半固態(tài)磷酸鐵鋰電池雖然過充能力較差，但在過充后沒有產(chǎn)生起火現(xiàn)象，具有很好的安全性。鈦酸鋰電池大倍率充放電性能將是軌道交通應(yīng)用動力鋰電池的首選。半固態(tài)磷酸鐵鋰電池已經(jīng)開始進(jìn)行小批量應(yīng)用，雖然其功率性能及壽命不如鈦酸鋰電池，但在軌道交通的輔助系統(tǒng)、備用電源及功率性能要求較低的調(diào)車動力電池等方面具有很好的應(yīng)用前景。
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