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宁德时代NMC811和LFP锂电池热失控对比

来源:锂想生活 | 作者:admin | 分类:技术 | 时间:2024-03-15 | 浏览:65319
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锂电网讯:本文对比研究了宁德时代采用NMC811和LFP为正极材料锂电池失控传播过程,主要结论如下:

1、热失控传播特性: NMC811电池在热失控时的最高温度(899°C)显著高于LFP锂电池(524°C),并且NMC811锂电池的热失控传播速度是LFP电池的5倍。这表明NMC811锂电池需要额外的安全措施,如电池间间隔和热屏障,以满足安全标准。

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2.气体释放:NMC811电池在热失控时释放的气体体积、气体流量和气体温度都高于LFP电池。这要求在NMC811电池模块中使用通风通道或高温耐受的灌封材料,以隔离通风气体,避免增加热输入、磨损和电弧风险。

3.电池损失:NMC811模块的破坏程度、材料喷射和侧壁破裂的风险高于LFP模块。因此,建议使用结构加固的灌封材料或耐高温材料(如钢制电池壳)来维持NMC811电池的机械完整性和畅通的通风气体排放。

由于其较高的镍含量,NMC811电池具有较高的能量密度。如图1所示,与LFP相比,NMC811电池重量和体积能量密度分别高出32%和37%。而安全性方面,LFP电池表现出色,不易发生过热、燃烧等危险情况,这得益于其正极材料的稳定性和抗热性能。为了对比两者的热失控传播过程,选择宁德时代的NMC811和LFP电池做研究,电池具体信息如表1所示:213Wh/kg、549Wh/L、96Ah的NMC811电池和164Wh/kg、373Wh/L、160Ah的LFP电池。   

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图1  NMC和LFP电池能量密度对比 

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如图2所示,将5个电池组装成一个小模块,在电池模块一侧安装加热板,对其中一个电池进行加热触发热失控,加热功率6.2W/cm2。在电池之间、电池表面和安全阀附近布置热电偶监测温度,最终的实验装置如图3所示,同时热失控过程中采用摄像机摄影。           

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图2  电池小模块示意图
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图3  电池热失控实验装置

图4是电池热失控传播的测量数据,主要包括温度和电压,蓝色/绿色表示电池间的内部温度,灰色表示模块的表面温度。设定加热板加热阶段的开始时间t0=0s。热失控传播起点定义为加热结束且温度突然增加的点。NMC811模块在表面温度为 371.6°C 时达到了这一点。而LFP电池的热失控发生时间要晚得多,温度为 436.6°C。因于单侧加热,该过程在电池中产生温度梯度,NMC811电池模块正面温度为 371.6°C,背面温度为 33.9°C,电池内部热量产生和耗散之间的能量失去平衡,开始发生热失控。LFP 电池在电池模块正面温度为 436.6°C、背面温度为 41.6°C 时进入热失控。NMC811电池的平均最高温度为899.3℃,明显高于LFP电池的524.4℃。    

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图4 热失控传播的测量数据:蓝色/绿色是电池间温度,灰色是表面温度,(a) NMC811,(c) LFP。电池电压:(b) NMC811,(d) LFP。   
如图5所示,电池模块中一个电池(如图5中的电池2)热失控可以分为3个阶段:阶段1,由热失控的相邻电池1引起的加热阶段;第 2 阶段,在电池2的第一个卷芯中触发热失控。;第 3 阶段:电池内部热失控传播到电池 2 中的第二个卷芯。

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图5  电池2热失控三个阶段

电池热失控具体开始时间通过以下两点判定:(1)电池电压开始下降,即电压变化为负值;(2)电池表面上的任何温度传感器温升速率大于10K/s。根据图4所示的数据和图5所示的传播机理,电池之间的热失控时间跨度可以进一步细分为热失控反应时间ΔtTR和暂停时间ΔtP,TR,在暂停期间主要发生向相邻电池的热传递过程。对于热成像仪和影片数据,根据可见的安全阀泄气的时间跨度评估热失控时间。

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图6 显示了两种电池的热失控之间的时间跨度及其组成。对于LFP电池,热失控之间的时间跨度分散在460秒的平均值附近,热失控反应时间分布在254.2s平均值附近。而对于NMC811电池,热失控之间的时间跨度呈指数增加,NMC811电池的热失控反应时间分布在17.4s平均值附近。

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图6  热失控时间

对热失控的电池进行分析,NMC811电池的质量损失为39.6-48.7%,这导致机械完整性和电池之间的夹紧力降低,从而导致更高的热接触电阻和更慢的热传播。相反,LFP电池保持了机械完整性,质量损失明显较小,为 20.9-21.6%。

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测试后的NMC-811电池模块图像中,可以看到电池壳体的明显变形和电池盖的破坏,再加上 45.8% 的材料喷射,导致机械完整性丧失。虽然最初的排气是通过安全阀发生的,但由于温度高于铝电池壳体熔点,电池也会发生侧壁破裂。而LFP电池仅通过安全阀释放气体,并且没有明显的侧壁破裂。

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图7 测试后电池

更详细内容请阅读参考文献:Schöberl, J., Ank, M., Schreiber, M., Wassiliadis, N., & Lienkamp, M. (2024). Thermal runaway propagation in automotive lithium-ion batteries with NMC-811 and LFP cathodes: Safety requirements and impact on system integration. eTransportation, 19, 100305. https://doi.org/10.14459/2023mp1717758   

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