NASA航天鋰離子電池?zé)崾Э胤治?/p>

　　說起鋰離子電池大家都不陌生，我們幾乎每天的生活都離不開鋰離子電池的支持，在我們點(diǎn)亮手機(jī)屏幕的瞬間，正是來自鋰離子電池的能量驅(qū)動(dòng)液晶屏幕發(fā)出光子，顯示圖像。隨著電子設(shè)備的快速普及，我們周圍越來越多的電子設(shè)備開始使用鋰離子電池提供能源，手機(jī)、筆記本、ipad都使用鋰離子電池作為儲(chǔ)能電源，試想一下，如果我們周圍環(huán)繞著各種類型的鋰離子電池，我們最關(guān)心的是什么呢？當(dāng)然是安全性，我們可不想鋰離子電池像一顆定時(shí)炸彈一樣，隨時(shí)威脅著我們的生命和財(cái)產(chǎn)安全，特別你還會(huì)把這顆定時(shí)炸彈放在褲兜里。

　　國際上，以SAFT為代表的空間電源供應(yīng)商，已經(jīng)開始將鋰離子電池在航天領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用，由于航天的特殊性，空間電源對鋰離子電池的安全性和可靠性有著嚴(yán)格的要求，特別是載人航天領(lǐng)域，對電源系統(tǒng)可靠性和安全性的要求近乎苛刻。對于鋰離子電池來說最嚴(yán)重的安全問題就是熱失控，何為熱失控呢，簡單的說就是電池的產(chǎn)熱速率遠(yuǎn)高于散熱速率，導(dǎo)致大量的熱量在鋰離子電池內(nèi)部積聚，引起SEI膜，正極材料的分解，電解液氧化導(dǎo)致鋰離子電池起火和爆炸，引發(fā)嚴(yán)重的安全問題。因此對于鋰離子電池來說，熱失控的機(jī)理研究就尤為重要，特別是對于載人航天領(lǐng)域。今天小編就帶大家看以下美國國家航空航天局（NASA）對于鋰離子電池?zé)崾Э氐钠鹨蚝蜋C(jī)理的研究報(bào)告。

　　目前包括國際空間站的儲(chǔ)備能源系統(tǒng)和宇航員的艙外活動(dòng)裝置等都采用了鋰離子電池作為儲(chǔ)能電源，對于載人航天，NASA優(yōu)先考慮的就是安全性，如何避免鋰離子電池?zé)崾Э匾约耙种茻崾Э卦陔姵刂g的傳播，保障宇航員的安全是NASA需要優(yōu)先考慮的問題，因此NASA設(shè)計(jì)了一種“標(biāo)準(zhǔn)”加速量熱法，用以研究鋰離子電池的熱失控反應(yīng)，該方法可以準(zhǔn)確的測量鋰離子電池在熱失控中所釋放的熱量，為鋰離子電池的熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了重要的依據(jù)。

　　NASA選取了三種電池進(jìn)行了測量，分別是美國波士頓Boston Power Swing5300電池，三星18650-26F電池和Molicel的18650-J電池。選擇著三種電池主要基于三種不同的空間應(yīng)用需要1）機(jī)器人助手R2的電源供應(yīng)；2）EVA艙外活動(dòng)可拆卸式可充電電池；3）EMU艙外活動(dòng)裝置長壽命電池。

　　鋰離子電池在熱失控的過程中由于鋰離子電池會(huì)向系統(tǒng)釋放高溫噴出物和氣體，導(dǎo)致鋰離子電池的重量減小，因此傳統(tǒng)的加速量熱法采集電池本身溫度的方法，并不能準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)在熱失控中鋰離子電池的釋放的熱量，因此NASA的工程師在鋰離子電池的外部增加了一個(gè)密封外殼，避免了高溫氣體的外泄，并利用上述裝置測量了具有50%和100%SOC狀態(tài)的三種電池。

　　測試結(jié)果顯示，電池的SOC狀態(tài)與鋰離子電池?zé)崾Э赜兄芮械年P(guān)系，SOC狀態(tài)越高，熱失控的誘發(fā)溫度越低，例如在100%SOC下，三種電池的熱失控誘發(fā)溫度都在100℃左右，而50%SOC狀態(tài)下，電池的熱失控誘發(fā)溫度則要140℃左右。在100%SOC狀態(tài)下，BP的5300電池的熱失控最高溫度要明顯低于18650電池，這主要得益于5300電池采用了鋁殼，能在較低的壓力下就釋放壓力，阻斷溫度的進(jìn)一步積累。對比三種電池在熱失控過程中所釋放的能量可以發(fā)現(xiàn)，由于BP5300電池的質(zhì)量較大，100%SOC狀態(tài)下所釋放的能量達(dá)到98.6kJ，是其他兩種18650電池的兩倍。研究還發(fā)現(xiàn)鋰離子電池在熱失控中釋放的能量要高于電池滿電狀態(tài)下電池所儲(chǔ)存的電化學(xué)能量，例如BP5300電池100%SOC時(shí)儲(chǔ)存的能量為69.7kJ，但在熱失控中卻釋放出了98.6kJ的能量，這主要是在熱失控狀態(tài)下鋰離子電池正極、負(fù)極，以及溶質(zhì)鹽和電解液之間發(fā)生的反應(yīng)釋放了大量的化學(xué)能，例如在18650電池中，不計(jì)算電解液燃燒的釋放的能量，僅分解反應(yīng)所釋放的能量可以達(dá)到29-49kJ，而計(jì)算電解液燃燒所釋放的能量，一只18650電池就可以釋放119-175kJ的能量。為了量化這一數(shù)據(jù)，NASA的工程師設(shè)計(jì)了一個(gè)新的參數(shù)，？E=Eexperiment/Estore，既實(shí)驗(yàn)釋放的能量與電池中所存儲(chǔ)的電化學(xué)能之間的比值，對于100%SOC的電池，這一值一半為1.0-1.6之間，50%SOC的電池，這一值一半在1.3-1.9之間，一種電池的？E值對于電池系統(tǒng)的熱管理具有重要的意義。

　　NASA工程師所設(shè)計(jì)的“標(biāo)準(zhǔn)”量熱法能夠更加準(zhǔn)確的測量鋰離子電池在熱失控過程中所釋放的能量，研究結(jié)果顯示鋰離子電池的SOC狀態(tài)與熱失控的誘發(fā)溫度和釋放的能量具有密切關(guān)系，SOC狀態(tài)越高，熱失控的誘發(fā)溫度越低，釋放的能量越多。熱失控參數(shù)？E表征了鋰離子電池?zé)崾Э蒯尫诺哪芰颗c其所儲(chǔ)存能量的比值，對鋰離子電池的熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要的意義。

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　　Energy distributionsexhibited during thermal runaway of commercial lithium ion batteries used forhuman spaceflight applications， Journal of Power Source， 329(2016)， SandeepYayathi， et. al