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如何徹底了解鋰電池的安全及效能?你需要更科學的作法。

新穎的高能電池,不只是單指鋰電池,只要是高反應性的電池,其實都是有機會產生爆炸的高危險電池,根據飛安統計從1991年到2012年以來的飛安事件,與熱、爆炸有關的有132件,其中與鋰電池有關的佔了62件,因此研究如何能讓鋰電池或其他高能電池能夠被安全的運送是很重要的。

現在最廣泛的電池測試方法是由國際汽車工程師學會 ( Society of Automotive Engineers International, SAE International ) 和桑迪亞國家實驗室 ( Sandia National Laboratories, SNL ) 設計出來的測試方式,兩個測試方法的主軸很像,包含了以下三種測試:

  1. Mechanical Abuse

包含了衝擊、穿透、滾動、沉浸和擠壓碾碎。其中穿透是最重要的測試,利用金屬穿透電池,可以使電池儲存的能量在一秒內完整釋放,造成溫度快速上升,甚至爆炸。

  1. Thermal Abuse

主要為產生火、爆炸和熱穩定性等高溫測試。其中熱穩定性是最重要且複雜的項目。這些測試是為了要了解電池可以使用的最高溫度。

  1. Electrical Abuse

包含短路、過度充電、過度放電。這些測試是要取得電池的最大安全可操作伏特數和最大安全充放電電流,因此這些測試也必須在安全的空間內執行。

根據以上三種測試的內容,絕熱卡計是最適合用於電池安全測試的儀器。絕熱卡計的設計如下圖所示:

 

 

濫用測試和絕熱卡計

絕熱卡計內部有加熱器 ( Guard heater ),其功能主要是在當電池反應時,維持設定的反應溫度。要找出電池最高工作溫度,藉由緩慢而階段式的加熱電池,並且在階段式升溫結束時,等待系統是否有發生自放熱的現象──即電池開始熱失控。整個測試如下圖所示,結果顯示隨著溫度階段式加熱,樣品沒有發生熱失控。

 

執行這些測試時,若沒有使用絕熱卡計,產生的數據主要會有以下三個缺陷:

  1. 不能得到正確的最大安全溫度。因反應過程中產生微量的放熱,會得到比實際數值更高的溫度。
  2. 得到的熱失控的數據是被打折扣的。例如電池有多燙、多少煙霧產生、電池本身的損害有多少,甚至是這樣的熱失控現象會發生多久的相關數據,都會比在絕熱卡計內模擬時還要少了許多。
  3. 可能有危險性的產生。量身打造的熱卡計可提供一個安全的實驗環境給操作者,避免熱失控發生時的各種有害物質傷害到操作者。

考慮到這些問題,HEL研發並製造出電池測試專用的電池測試熱卡計 ( Battery Testing Calorimeter, BTC ),使用厚實的不鏽鋼板製造,確保在火焰和爆炸情況下,操作者都能安全使用。

安全工作溫度和鋰電池的熱失控反應

從上圖可知,反應從大約35度開始,大概在120度左右開始發生熱失控現象,此時溫控系統會停止加熱,溫度計開始監控電池本身的放熱,大約到300度左右後停止實驗,否則實驗溫度會再繼續上升。

過度充電和過度放電影響電池爆炸

利用BTC搭配充放電循環機,對電池重覆充放電的循環,同時監控電池在此過程中的溫度變化以及熱失控
反應的發生。下圖例子為利用2A和3A電流做的測試,可以發現當電流換成3A時溫度會升高,隨著循環不
停,溫度會上升,但是最高也在65到70度間,不會有失控反應產生。

而下面的圖可看到,當電流提高到5A和15A交替時,在循環中溫度會上升,當溫度上升到110度時,會
開始產生失控反應。

並且可以搭配攝影機觀察電池在反應時的狀況

過度充電(電壓/伏特)的實驗和過度放電的實驗類似,此時固定安全電流,變化電壓觀察電池的現象

利用熱管理方式避免熱失控現象發生

利用系統控溫的方式,藉以進一步了解電池在不停充放電的過程中的產熱狀況,使用加入等溫功能的iso-BTC,透過控溫裝置維持系統在設定溫度,這樣即可得到當電池產熱時,預防熱失控發生所需要的數據。如下圖,維持熱卡計溫度,當電池充電時是吸熱反應,此時熱卡計加溫以維持溫度,而當電池放電時會放熱,此時BTC就降溫以維持設定溫度。

如此一來,我們可以看到原先在15A放電時會有熱失控反應發生的電池,在利用iso-BTC測試時,我們可以使用20A的電流來放電。

接著,也可以觀察在不同溫度下,電池充放電時電容的改變,作為電池相關數據。以下兩張圖中可以發現當溫度較低時,電池容量也較低

也可用以測試電池在等溫環境下,於整個放電過程中的吸、放熱變化。故此系統除了可測試電池的安全性,亦可得到多種數據作為電池開發的參考資料。

結論

綜合上述的測試,我們可以利用BTC取得在不同條件下電池熱反應、熱失控的相關數據,對於設計安全的高能電池是相當有價值的。

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