国轩高科38Ah电芯热失控测试

在大多数涉及到自燃的事故中，为了安全起见，整车都会对充电的SOC进行限制。可见SOC对于发生热失控有很大的影响。

对于不做电芯的朋友来说，可能理解电芯的热失控或SOC的影响不那么感性，这里我们就通过一个38Ah电芯的热失控测试来通俗地了解下整个热失控过程，以及热失控过程中关键温度参数，SOC的影响。

这个案例来自于国轩对外公开发表的论文研究，所用的电芯参数如下：

  • 正极：LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2

  • 充放电窗口：3.0V~4.2V

  • 热电欧布置在电芯大面的中央位置

1、100%SOC电芯热失控

对照上图，可以看出：100% SOC时，Tonset 是76 °C，TTR的温度是188 °C，Tmax的温度是417°C，从下图可以看出，温度从135°C时，开始迅速升高，同时电压降为0V（这主要是短路保护装置SSD起作用了）。（注：这里Tonset指温度的升率开始大于0.02°C/分钟；TTR指温度升率大于10 °C/分钟）

大约在154°C时，温度骤降，这是由于SSD打开，电解液喷出带走部分热量；大约到了188°C时，温升速度达到10°C/分钟，电芯进入到热失控状态。整个热失控过程释放的热量为314.3千焦。

2、不同SOC的影响：

可以看出，只有当SOC达到35%之上，电芯才能发生热失控；随着SOC的增加，Tonset和TTR会降低，这论证了高SOC更容易发生热失控；同时，Tmax将变得更大，这说明高SOC的热失控会更剧烈。

SOC对电芯热失控剧烈程度的影响，还可以从热失控造成的电芯壳体结构膨胀率来看。从0%SOC 到100% SOC，电芯壳体膨胀的比例为91.28%~117.19%。这个过程中，由于有SSD的存在，所以，所有的测试电芯均没有发生壳体破裂。

从热失控后，不同SOC下电芯的拆解分析来看，如下图，对于100% SOC，可以看到电极基本被烧成粉，只剩下铜集流体；50% SOC条件下，隔膜基本被融化，但电极还相对完好；在0% SOC条件下，能够看到整个电芯还没有受到很大的破坏，电芯的原貌仍能看得出。

3、热失控过程概括

回头来总结下满充条件下38Ah的整个热失控过程：

（1）   在大约80 °C的时候，一些副反应和一些锂化合物开始分解，释放大量的热，开始启动电芯的放热过程；

（2）   在达到100°C后，SEI膜开始解体，电解液和石墨负极发生反应，电芯温度增加；同时，产生一些可燃气体，致使电芯鼓胀；电解液在正极氧化，进一步产生大量的热和气体；

（3）  当温度超过130°C时，隔离膜发生融化，正负极发生短路，产热剧增，电芯温度进一步升高；

（4） 当温度达到154°C时，电芯的安全防护阀SSD打开，电解液等被喷射出来，电芯温度出现快速下降；

（5）  当温度超过180°C时，电解液、正负极等发生剧烈的反应，电芯温度急剧升高，呈指数式增长，电芯进入到热失控状态。

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