【文献研读】探索锂离子电池热失控特性与气体组成：以不同正极材料为例

武汉电弛新能源有限公司

2024/07/30 14:16

锂离子电池在电动汽车、储能电站等领域有着广泛应用。近年来，锂电池的安全性问题受到关注。在高温、过充等极端条件下，锂离子电池存在发生热失控风险，引发自燃火宅事故。

因此，深入研究锂离子电池的热失控特性及其产气行为，对于提升电池安全性能具有重要意义。

我们选取了《Thermal Runaway Characteristics and Gas Composition Analysis of Lithium-Ion Batteries with Different LFP and NCM Cathode Materials under Inert Atmosphere》文献进行研读。

文献dio

https://doi.org/10.3390/electronics12071603

文章中以“磷酸铁锂（LFP）”和“镍钴锰（NCM）”两种主流正极材料的锂离子电池为例，探讨其在惰性气氛条件下的热失控过程及气体成分。

在惰性气氛（如氮气或氩气）中，对电池进行加热处理，模拟其在实际使用中可能遇到的热失控情况。通过高精度的温度控制和气体分析设备，实时记录电池的温度变化、压力变化以及产生的气体成分。

TR现象

【NCM电池】

在加热初期，电池内部温度逐渐升高，尚未达到热失控的临界点。此时，电池可能仅表现出轻微的热量释放和气体产生，这些变化尚不足以对电池造成实质性损害。

随着电池内部温度逐渐升高，发生了更多其他反应，产生气体逐渐增多，压力逐渐升高，在排气阀打开的那一刻，发生“TR现象”，随之而来的是严重的气体产生。

【LFP电池】

在加热初期，电池内部温度逐渐升高，同样仅仅表现出轻微的热量释放和气体产生。随着时间进行，电池没有表现出“TR现象”，但由于内部压力过大，排气阀打开释放气体，在 TR 之后经历了两个剧烈的产气阶段，第一个产气阶段比第二个产气更强烈。

不同温度下的【产气过程】

70-90℃

SEI膜的亚稳态成分发生放热分解导致电池内大部分气体积聚，主要是二氧化碳、甲烷和氧气。随着温度的升高，嵌入锂进一步与有机溶剂和电解质反应，导致乙烯、丙烯和乙烷的释放。

90-260℃

同时发生三种化学反应，包括SEI熔化、电极内部短路、不同阴极材料分解以及与电解质反应释放气体，释放主要包括氧气、二氧化碳和一氧化碳。

200-300℃

电解质LiPF6会自动分解要分解产物为氟乙烷、二氧化碳、氢氟酸和乙烯。高于260°C，粘结剂PVDF进一步与插层锂反应，直接生成氢气。这种化学反应发生在 NCM 和 LFP 电池的 TR 过程中。

（不同电池类型的产气成分）

LFP电池在TR阶段生成的气体含有较多的H2，因此更加容易达到可燃条件，根据产气结果，LFP电池具与NCM电池相比，具有更大的风险。

【文献研读】

本文通过对LFP和NCM两种正极材料的锂离子电池在惰性气氛条件下的热失控过程及气体成分进行对比分析，揭示了其热失控特性的异同。

研究表明，在正常使用情况下，LFP电池在安全性方面表现更优，而NCM电池则需要更严格的安全措施来确保其在使用过程中的安全性。但在发生大规模的热失控情况下，虑到产气成分，LFP电池可能更危险。

未来，随着锂离子电池技术的不断发展，研究人员应继续深入探索锂离子电池热失控机理和防控技术。通过优化电池材料、改进电池结构设计、加强电池管理系统（BMS）的监控和预警功能等手段，不断提高锂离子电池安全性能，为电动汽车、储能电站等领域的可持续发展提供有力保障。

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