电池安全专辑 | 慕尼黑工业大学：基于NMC811和LFP阴极材料对车用锂离子电池热失控蔓延的安全要求和系统集成对比研究

全球电动汽车市场正随着动力传动系统效率的提高和电池能量密度的增加而稳步增长。这一增长部分得益于对减少二氧化碳排放的法规要求，以及电动汽车与传统内燃机汽车竞争力的提升。然而，随着对高能量密度电池的需求增加，富镍正极材料的使用成为趋势，尽管它们在安全性方面存在缺陷。因此，车用锂离子电池必须通过严格的安全测试，特别是针对热失控和热失控蔓延的测试，以确保乘员和环境的安全。

在电池化学的选择上，LFP电池因其更高的热稳定性和在热失控方面的安全优势而受到许多原始设备制造商的青睐。尽管LFP电池的能量密度低于富镍NMC电池，但它们提供了更安全的替代方案。研究表明，即使在NMC电池体系中，不同的化学计量组成也会导致安全性的显著差异，其中富镍低钴材料的能量密度较高，但热稳定性较低。

本研究通过使用实际车用动力电池进行热失控蔓延分析，旨在准确反映LFP与富镍NMC电池在安全性和能量密度方面的差异。研究发现，富镍电池在电池级能量密度上优于LFP电池，但电池组的整体设计和安全措施的集成同样重要。这些研究结果不仅揭示了安全性与能量密度之间的权衡，而且强调了在电池系统集成中考虑多个性能指标的重要性。

最终，本研究的目标是通过对电动汽车电池热失控蔓延的安全要求进行评估，为电池系统集成提供指导，并探讨更安全的电池化学是否能够补偿能量密度的劣势。此外，本研究鼓励学术界和工业界更加关注安全措施对电池其他关键性能指标（如成本、寿命）的影响，以缩小研究与实践之间的差距，并推动电动汽车电池技术的安全性和实用性。

本文对MINI Cooper SE和Tesla Model 3 SR+两款电动汽车的锂离子电池进行了对比实验。两款电池分别为石墨|NMC-811和石墨|LFP电池化学成分，均采用棱柱形硬壳设计。实验中，每个电池组由五个锂离子电池组成，电池沿纵轴镜像排列且不进行电连接。所有电池在测试前均以C/10 CCCV充电至SOC 100%。电池组通过螺纹杆支撑在两块不锈钢板之间，并使用加热器作为初始热失控触发器。为模拟实际接触压力，对两个模块施加了均匀的预紧压力，NMC-811模块的支撑力为1000N，LFP模块为1500N。实验还使用了蛭石板来减少不锈钢板与电池之间的热耦合，并在电池之间插入K型护套热电偶以确定热失控蔓延时间。

为了进一步分析传播行为，实验采用了FLIR A70热成像摄像机来测量电池模块的表面温度。摄像机被安置在一个保护壳中，以在测试期间提供保护。由于电池表面发射率未知，电池模块的侧面用发射胶带覆盖以表征热失控早期阶段的温度曲线。电压和温度信号通过imc CANSASflex测量模块记录并输出到CAN总线，然后与热成像摄像机数据同步。

在实验中，由于LFP电池在钉子穿透情况下可能不会发生热失控，因此选择了过热作为初始触发机制。加热器的功率密度设定为6.2W/cm ² ，NMC-811电池的总加热功率为600W，LFP电池为1200W。加热器的尺寸根据电池尺寸调整，以确保均匀加热。实验遵循GB 38031-2020标准的建议，并在触发电池出现热失控迹象时手动停止加热。

（1）温度和电压响应。 在两项电池热失控测试中，NMC-811和LFP电池表现出不同的热稳定性。NMC-811电池在表面温度达到371.6°C时进入热失控状态，而LFP电池则在436.6°C时发生。NMC-811电池的最高温度达到899.3°C，远高于LFP电池的524.4°C。测试中，NMC-811电池的热传播速度快且剧烈，而LFP电池传播速度较慢。在电压变化方面，NMC-811电池在温度升高时电压瞬时下降，而LFP电池电压崩溃过程较长。这些结果表明，电池电压检测热失控具有一定复杂性，尤其在缓慢传播或并联电池的情况下，电压变化不明显，因此需要考虑其他冗余检测方法。

（2）蔓延情况和蔓延时间。 通过对LFP和NMC-811电池模块的热失控蔓延机制的研究，发现热失控蔓延过程可以分为三个阶段，并受电池间的热接触阻影响。LFP电池热失控蔓延较慢，而NMC-811电池热失控蔓延迅速。热失控的蔓延时间和暂停时间在不同电池化学成分中表现不同，NMC-811电池的蔓延速度远快于LFP电池，但由于较长的暂停时间，总蔓延速度降低。LFP电池由于保持较好的机械完整性，热失控蔓延显著延迟。实验结果表明，电池化学成分对热失控蔓延速度有显著影响，且NMC-811电池在热失控反应速度上比LFP电池快得多。这些发现对于电池热管理设计和安全标准制定具有重要意义，特别是在考虑电动汽车的紧急冷却措施和电池组安全设计时。

（3）放热。 根据Scharner等人的研究，热失控期间的总释放热量Qtot可以分为电池内部剩余的热能Q ₁ 和通过排气或热粒子消散的热能Q ₂ 。通过实验数据和质量损失计算，结合文献中的数据，得出NMC-811电池和LFP电池在热失控期间的平均单位时间热释放量。结果显示，尽管LFP电池释放的总热能较多，但由于其能量密度较低和热稳定性较高，热能释放速度较慢，导致热蔓延延迟。相比之下，NMC-811电池由于较低的机械完整性和较高的能量/热质量比，以及瞬时能量释放，热蔓延速度更快。这些结果是基于文献数据的估计值，可能存在偏差，因为不同的量热计设置和实际材料燃烧的复杂性。

（4）排气情况。 通过视觉摄像机和热电偶分析了NMC-811和LFP电池的排气行为，发现NMC-811电池排气会点燃，而LFP电池则产生白烟。两种电池排气的主要成分包括可燃气体，如CO ₂ 、H ₂ 、CO、CH ₄ 、C ₂ H ₄ 和C ₂ H ₆ ，可形成可燃爆炸性气体混合物。NMC-811电池排气气体温度超过点火温度，导致不可避免地点燃，而LFP电池排气温度未达到点火水平。NMC-811电池还观察到大量热粒子喷出，增加电弧风险。尽管LFP电池电弧风险较低，但其排气仍可能积聚爆炸性气体。实验中排气气体温度测量值为近似值，实际值可能更高，且由于热失控动态特性，热电偶位置可能变化，影响测量准确性。

（5）排气量。 锂离子电池在排气过程中会产生压力，可能导致电池外壳爆裂，排气和热颗粒还会加速热失控蔓延。因此，电池组设计需考虑合适的排气通道尺寸，以实现压力均衡和减少热量输入。NMC电池的总气体释放量估计为1.4-2.75l/Ah，而LFP电池为0.57–1.12l/Ah，其中NMC-811电池的平均生产率为2.44l/Ah，LFP电池的平均值为0.56l/Ah。排气量因电池化学成分而异，影响电池外壳压力增加的主要因素是体积释放速度。LFP电池系统的压力释放元件和排气通道尺寸可以比NMC电池系统的小，因为LFP电池的流速较低。需要注意的是，气体体积会随温度和压力变化，且如果气体点燃，体积可能会显著增加。

（6）残骸分析。 通过对测试后的NMC-811电池模块的事后分析，发现电池罐明显变形，电池盖损坏，以及45.8%的材料弹出，导致机械完整性严重丧失。高温导致铝电池罐侧壁破裂，这不仅影响了模块的机械完整性，还可能导致意外气体泄漏，阻碍了气体和颗粒通过预期排气通道排出。因此，建议使用耐高温钢制电池罐或灌封化合物来为NMC-811电池提供机械支撑，以保持电池组的机械完整性和排气路径。相比之下，LFP电池模块在测试后没有出现可目视检测到的结构损失，所有电池均通过安全排气口释放排气，没有明显的侧壁破裂，表明铝制电池罐足以满足LFP电池的要求，这是因为LFP电池即使在模块中测量的温度也低于铝的熔点。

根据第3.1节的讨论，电池化学成分的不同导致对安全措施的要求有根本差异，这些措施直接影响电池组的系统集成和能量密度。在当前安全要求下，通过质量法(GCTP)和体积法(VCTP)评估了LFP和三元(NMC/NCA)电池化学在电动汽车中的应用潜力。额外的重量和体积损失主要归因于电池外壳、电池管理系统、线束、冷却系统和安全措施，但其中许多组件的体积和重量并不依赖于电池化学成分。因此，两种电池化学在电池组比上的差异主要是由实现安全水平所需的额外安全措施造成的，而不是由电池外壳、管理系统、线束或冷却系统造成的。

（1）对质量能量密度的影响。 电动汽车的续航里程受车辆效率和消耗影响，其中车辆质量是关键因素。因此，电池组级别的高重量能量密度至关重要。当前数据显示，三元电池在单体电池级别的平均重量能量密度为252Wh/kg，高于LFP电池的167Wh/kg。在电池组级别，尽管因集成和安全措施导致能量密度损失，三元电池仍保持158Wh/kg的平均能量密度，而LFP电池为133Wh/kg，显示出16%的优势。这种优势部分归因于三元电池所需的额外安全措施，如更坚固的设计和使用耐高温材料，这些措施虽然增加了重量，但对电池系统的总体质量影响相对较小。因此，即使在现行安全要求下，三元电池仍能在电池组级别实现更高的质量能量密度。

（2）对体积能量密度的影响。 电动汽车的续航里程受体积能量密度和安装空间的限制，其中三元电池在单体电池级别上具有较高的体积能量密度（632Wh/L），而LFP电池为405Wh/L。然而，在电池组级别，由于集成和安全措施，三元电池和LFP电池的平均能量密度几乎相同，分别为241Wh/L和243Wh/L，显示出三元电池在系统集成上的损失更大。安全措施，如增加电池间距和热屏障，以及使用耐高温绝缘材料，主要影响体积能量密度而非重量能量密度。因此，尽管三元电池在单体电池级别上具有更高的能量密度，但在电池组级别上，LFP电池能够实现相当的体积能量密度。最终，三元电池仍可能提供更长的续航里程，但电池设计的能量密度受安全要求和立法限制的影响，任何设计变更都需要重新进行安全评估。

在电池系统设计中，能量密度、耐久性、成本、安全性和功率密度等目标之间存在权衡，本文着重探讨了安全性与能量密度之间的简化平衡，并指出电池化学的选择是关键。尽管三元电池在单体电池级别上能量密度较高，但在电池组级别上，LFP电池通过系统集成可实现相当的体积能量密度。然而，由于安全标准的差异和系统变量的复杂性，无法全面评估不同电池化学的安全水平，且现有数据有限，需进一步研究以评估安全相关系统集成的潜力。未来的研究应集中在创新电池材料以降低安全要求，以及新的系统配置来简化安全要求的满足，同时考虑到立法者的安全约束对电池开发的影响。此外，研究应扩展到多种电池化学，并在早期开发阶段考虑热失控蔓延，以减少后期测试的成本和资源消耗，最终实现电池系统设计的成本效益评估，特别是在面对不断提高的安全要求时。

本文分析了NMC-811和LFP阴极锂离子电池的热失控传播。本研究中的锂离子电池取自当前的电动汽车，代表了汽车行业的当前最新技术水平，尤其是阴极材料的成分。通过对电池化学性质的热失控蔓延进行比较分析，得出了以下系统设计和集成结论：

(1) 热稳定性降低、热量释放更高、更快，导致 NMC-811模块的最高温度更高，达到899°C，传播速度是LFP模块的五倍，为524°C。这需要额外的安全措施，例如电池或模块之间的间隔和隔热层，以满足当前和即将出台的安全标准的要求。

(2) 更高的气体体积、气体流速和排气燃烧需要使用排气通道或耐高温灌封材料将排气与NMC-811模块中的周围电池和高压路径隔离，以避免增加热量输入、磨损和电弧风险。即使LFP模块在这方面表现出更好的行为，也不应低估排气，因为可燃气体存在延迟点火的风险。

(3) 事后分析显示，NMC-811模块的破坏程度、材料喷出和侧壁破裂风险更高。因此，建议使用结构增强灌封材料或耐高温材料（例如钢制电池罐）来保持 NMC-811电池中的机械完整性和排气的适当排出。

(4) 由于NMC-811电池的安全相关设计的安全要求越来越高，因此还研究了对系统集成的影响。对当前电动汽车的电池组比的分析表明，LFP电池比三元电池化学电池更好地集成到电池组中。尽管如此，重量能量密度的缺点只能部分补偿到16%。相比之下，体积能量密度的缺点平均可以完全补偿，这意味着配备 LFP电池的电动汽车可以与许多配备三元电池的电动汽车竞争。

然而，电池组比在很大程度上取决于所选电池的安全要求、立法者给出的限制以及制造商在系统集成过程中的工程质量。因此，未来的研究应侧重于不同电池化学成分的安全要求及其在热失控和热失控蔓延模型中的可用性。这将通过简化成本效益评估并根据立法者给出的安全标准实现精确的安全相关设计来改善电动汽车电池的安全相关系统设计。

国际交通电动化杂志

eTransportation