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        侵權投訴

        NCM化學配比和SOC如何影響NCM電芯的安全性

        電子設計 ? 2020-12-25 16:14 ? 次閱讀

        今天給大家帶來的是第一篇,大名鼎鼎的JeffDahn教授(就是TESLA的簽約首席電芯化學科學家)的一篇文章:用ARC絕熱量熱儀來研究不同化學配比NCM材料在不同脫鋰/SOC狀態下的熱穩定性。

        本文全是技術分析,沒有吐槽。

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        前言背景

        鋰離子電池在車上使用,安全性已經受到了越來越多的重視。三元NCM材料隨著鎳含量的提高能量可以提高,但是相應的安全性會有更多的挑戰。與此同時,三元NCM電池的電芯層級安全性也取決于其脫鋰程度(即SOC)——業內大家都知道,高SOC下電芯會更不穩定,而過充濫用更是導致許多電池安全事故的直接原因。

        所以NCM的化學配比和SOC這兩個變量會如何同時作用來影響NCM電芯的安全性呢?這就是本文要研究的點。

        實驗準備

        Jeff教授組從湖南立方公司買的剛剛制好的半成品軟包電芯(沒灌電解液),主要有NCM111,442,532,622和811五種體系。運到加拿大后,他們再灌入傳統的EC:EMC(3:7)的電解液,再進行化成等處理工序得到電芯,把這些電芯充到不同電壓(4.2,4.4,4.5,4.7V),然后用絕熱量熱儀ARC來研究這些電芯的熱失控行為:主要的一個關注指標點就是自加熱溫度(SHR,self-heatingrate)的明顯上升,用這個上升點來定量比較不同化學配比不同SOC材料/電芯的熱穩定性。

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        本圖(Table2)提供了數據,可以很方便的去對應不同的NCM材料充電到不同電壓時,相應的脫鋰/嵌鋰量和容量發揮。

        如果定義4.2V為100%SOC,可以看到:

        811可以發揮215mAh/g,脫鋰程度為78%;

        532可以發揮180mAh/g,脫鋰程度為61.4%;

        111可以發揮160mAh/g,脫鋰程度為57.6%。

        注意:基于4.2V為100%SOC,可以看出本文研究的全是過充場景下的安全性,并沒有涉及到平時使用區間(0~100%SOC)中電池的熱穩定性問題。

        結果討論

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        不同化學配比+不同SOC狀態的三元材料的自加熱速率SHR(單位oC/min)隨溫度的變化

        因為本實驗是控制變量為SOC和正極材料NCM配比,全電池中的其它因素(隔膜、負極)對于熱失控的影響就不考慮了。從這個圖不難看出:

        圖A的NMC111:4.2V的材料(黑色曲線)一直到225度自加熱都很低,之后曲線才明顯上抬——說明該材料在100%SOC下熱穩定性還是不錯的。但是你要是從這開始過充,到4.4,4.5和4.7V,可以看出曲線明顯開始左移,說明過充材料熱穩定性明顯下滑,4.7V的SHR基本從180度左右就開始了。

        圖B的NMC442:其實個人感覺與111的曲線區別不大。

        圖C的NMC532:4.2,4.5和4.7V的SHR都開始的會比較早,150度左右就“龍抬頭”了——可以說相比于111,442,該材料在不同SOC下幾乎熱穩定性都有所變弱。有點意外的是紫色的4.7V曲線。按理說應該是越過充越不穩定的,但是它卻在最晚才提升。對此本文作者并沒給出好的解釋,劉博在這更傾向認為可能與實驗誤差有關。

        圖D的NMC622:雖然曲線看著和NMC532不太一樣,但是從關鍵的SHR開始上升溫度來看,其實與532差不多。黑色的4.2V材料明顯穩定性好一點(160度),而隨著截止電壓的升高SHR有一定的提前,但是幅度也不是很明顯(最高SOC的大約提前到了150度)(comment:所以似乎622能量有提升安全性能也不錯,應該是現階段保守追求能量密度的一個不錯的折中方案)

        圖E的NMC811:這個就比較好玩了:幾乎過充的SOC不影響熱失控溫度增長行為,都是在120度以上,所有曲線都是重合的。

        所以本文的主要結論為:

        過充導致安全性下降,自加熱事件開始提前。

        除了NMC811,其它材料基本都是自加熱事件開始溫度與脫鋰程度相關(SOC高,開始早)——看下圖:基本除了811,都能把點(硬)擬合出條線性關系(y=kx+b)來。當然811也可以擬合出條線(不過是平的,不受SOC影響)。

        鎳含量提高安全性會降低,811材料的過充對自加熱行為影響不大。

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        劉博亂彈

        安全性VS能量密度的老話題

        所以還是那句話:能量密度VS安全性能的取舍問題,真的是技術上的難點和精華所在。811能量密度香不香啊,但是安全就比較有挑戰,不是誰都做的了的。

        以及我就特別好奇了,你要是811安全不好做,無鈷你安全又能做成什么樣?

        本文并不是在著力解決安全性能——還有很多辦法可以提高811的安全性

        大家看了這個研究結果可能會恐慌,811安全性能這么差怎么辦啊?但是我想說的是這個實驗只是一個控制變量的對比實驗,用的都是純的普通811材料(Pristine),重心并不在改進材料改進電芯提高安全性上,而這恰恰是很多材料廠(比如摻雜包覆)和電芯廠(比如電解液添加劑)在做的工作的精華所在。所以真實的811電芯肯定安全性比這要好,大家不要這么擔心,當然需要我們認真追蹤和研究技術上的進展情況。

        過充作為熱失控觸發機理的問題

        大家要注意一點,本文研究的內容相當于是表征過充狀態下(≥100%SOC)NMC材料/電芯的熱穩定性,并沒有主要涉及到我們日常定義的0-100%SOC常見區間。其實這個結果對于過充濫用觸發熱失控的研究場景更有參考意義。不難看出:對于不同化學體系,SOC/過充對他們的熱行為影響會很明顯(不同),再考慮到過充引入的能量本身就會受電芯設計、添加劑等因素的影響,因此我估計這也是為什么在電池安全性評估時如果是考慮熱失控觸發機制,不太使用過充的原因——帶來的變量和不可控因素太多,相比之下加熱(就是烤到200來度)以及針刺就要好控制的多。

        當然,過充本身作為一項電芯安全中的重要內容(而不是熱失控的觸發機制),當然值得深入研究和提出應對方案,這個是永遠的重要研究方向。

        可惜沒有低SOC的數據

        本工作的一個小小的遺憾是沒有研究低SOC下的熱失控行為,要是能從0%SOC的數據一直列到本文的150%SOC以上的話,那樣數據的系統性會更好,對于材料熱性能的研究會更透徹。而且沒準(純)811材料其實在100%SOC下隨著SOC降低安全性會有明顯提升(對NCA是這樣的)。
        編輯:hfy

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        HM4054D線性鋰離子電池充電器的數據手冊免費下載

        HM4054D是一款完整的單電池鋰離子電池恒流恒壓線性充電器。其SOT封裝和低外部組件數量使HM40....
        發表于 12-17 08:00 ? 29次 閱讀
        HM4054D線性鋰離子電池充電器的數據手冊免費下載

        HM4054C微型線性電池管理芯片的數據手冊免費下載

        HM4054C是一個完善的單片鋰離子電池恒流/恒壓線形電源管理芯片。它薄的尺寸和小的外包裝使它便于便....
        發表于 12-17 08:00 ? 34次 閱讀
        HM4054C微型線性電池管理芯片的數據手冊免費下載

        HM4051ADR鋰離子電池充電器芯片的數據手冊免費下載

        HM4051ADR是一款完整的單節鋰離子電池采用恒定電流/恒定電壓線性充電器。其底部帶有散熱片的DF....
        發表于 12-17 08:00 ? 37次 閱讀
        HM4051ADR鋰離子電池充電器芯片的數據手冊免費下載

        HM4050DR線性鋰離子電池充電器芯片的數據手冊免費下載

        HM4050DR是一款完整的單電池鋰離子電池恒流恒壓線性充電器。其DFN2x3封裝和低外部組件數量使....
        發表于 12-17 08:00 ? 21次 閱讀
        HM4050DR線性鋰離子電池充電器芯片的數據手冊免費下載

        HM4050C鋰離子電池充電器芯片的數據手冊免費下載

        HM4050C 是一款面向5V交流適配器的2A鋰離子電池充電器。它是采用1.5MHz固定頻率的同步降....
        發表于 12-17 08:00 ? 46次 閱讀
        HM4050C鋰離子電池充電器芯片的數據手冊免費下載

        HM4050BA鋰離子電池充電器芯片的數據手冊

        HM4050B 是一款面向5V交流適配器的2A鋰離子電池充電器。它是采用1.5MHz固定頻率的同步降....
        發表于 12-17 08:00 ? 70次 閱讀
        HM4050BA鋰離子電池充電器芯片的數據手冊

        HM4050AMR鋰離子電池充電器的數據手冊免費下載

        HM4050AMR是一款性能優異的單節鋰離子電池恒流/恒壓線性充電器。 HM4050AMR采用SOT....
        發表于 12-17 08:00 ? 29次 閱讀
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        HM4040DR線性鋰離子電池充電器芯片的數據手冊

        HM4040DR是一款完整的單節鋰離子電池采用恒定電流/恒定電壓線性充電器。其 DFN-6L 有裝與....
        發表于 12-17 08:00 ? 31次 閱讀
        HM4040DR線性鋰離子電池充電器芯片的數據手冊

        HM4005充電芯片的數據手冊免費下載

        HM4005 是一款完整的單節鋰離子電池采用恒定電流/恒定電壓線性充電器。其 SOT 封裝與較少的外....
        發表于 12-17 08:00 ? 46次 閱讀
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        鋰電材料截面制樣-氬離子拋光CP離子研磨 金鑒實驗室分享(下)

        鋰電池正極片氬離子拋光(CP離子研磨)制樣后效果圖 (正極片氬離子拋光制樣后效果圖-如上圖所示-金鑒實驗室羅工提供) ...
        發表于 12-16 15:47 ? 404次 閱讀
        鋰電材料截面制樣-氬離子拋光CP離子研磨 金鑒實驗室分享(下)

        鋰電材料截面制樣-氬離子拋光CP離子研磨 金鑒實驗室分享(上)

        項目:鋰電池電極材料薄片的氬離子拋光截面制樣:通過氬離子拋光截面制樣可以觀察到鋰電池正/負電極材料極片的內部結構。 測試...
        發表于 12-16 15:39 ? 404次 閱讀
        鋰電材料截面制樣-氬離子拋光CP離子研磨 金鑒實驗室分享(上)

        請問外設向soc上報中斷應該是脈沖信號還是電平信號?

        外設向soc上報中斷應該是脈沖信號還是電平信號。 ...
        發表于 12-15 06:43 ? 0次 閱讀
        請問外設向soc上報中斷應該是脈沖信號還是電平信號?

        如何快速改進SoC設計工藝?

        后摩爾定律時代 SoC設計何去何從?
        發表于 12-04 06:29 ? 0次 閱讀
        如何快速改進SoC設計工藝?

        ULV制程催生下世代物聯網SoC功耗降十倍

        ULV制程催生下世代物聯網SoC功耗降十倍是真的嗎?...
        發表于 11-24 07:23 ? 0次 閱讀
        ULV制程催生下世代物聯網SoC功耗降十倍

        Altera開發板NiosII系統,請問以下代碼應該怎么修改?

        Altera DE2開發板,NiosII系統,軟件代碼如下: 實現的功能是二進制計算器,由很多個撥碼開關組成每一位的操作。 [cod...
        發表于 11-22 20:17 ? 606次 閱讀
        Altera開發板NiosII系統,請問以下代碼應該怎么修改?

        基于鋰離子電池的過充保護方案

        鋰離子電池又稱為聚合物電池,與NiMH或NiCd 電池比較,具有單位體積的電能容量大、密度大、轉換效率高、可快速充電、體積小...
        發表于 11-04 06:37 ? 0次 閱讀
        基于鋰離子電池的過充保護方案

        鋰離子電池主要有哪些類型

          鋰離子電池主要有哪些類型   1、根據鋰離子電池所用電解質材料不同,鋰離子電池可以分為液態鋰離子電池(簡稱LIB)和聚...
        發表于 11-03 15:41 ? 101次 閱讀
        鋰離子電池主要有哪些類型

        一文解析高效鋰離子電池化成測試

        隨著、個人產品和電網系統的日益普及,人們對鋰離子(Li-ion)電池的需求正以指數級增長。隨著消費者需求的增長,對高精度電池化...
        發表于 11-03 07:17 ? 101次 閱讀
        一文解析高效鋰離子電池化成測試
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