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钛深科技助力电池热失控研究 | 触觉传感技术在锂离子电池热失控预警中的应用

发布时间：

2024-05-29 13:28

作者信息及文章摘要

聚焦储能技术，助力储能安全。近日，钛深科技（深圳）有限公司联合应急管理部天津消防所、中关村储能产业技术联盟在《消防科学院与技术》期刊上发表题为“触觉传感技术在锂离子电池热失控预警中的应用”。文章针对应用触觉传感技术-分布式薄膜压力传感系统进行储能用锂离子电池的热失控安全监控开展了研究，选取 52 Ah 方壳磷酸铁锂电池作为研究对象，采用加热板触发单体及模组电池热失控，并结合力、电、热等多种实时监测手段，详细剖析了单体和模组层级的热失控过程。试验结果证明，相对电池温度、电压等特征，电池膨胀力在电芯和模组层级能分别提前8.9min和6.0min预警电池热失控，引入力维度数据监控能有效提高储能用锂离子电池热失控的预警能力。

 

 

试验方案

 

1、单体电池测试试验布置

2、模组级测试试验布置

结果与讨论

作者首先开展了单体电池的热失控试验，结果表明，电池膨胀力在112s时便迅速增长，而温度急剧增加出现在673s、电压迅速掉落则在678s。对比温度、电压及膨胀力数据，由于电池本身是一个封闭空间、热量及应力易局部积聚的特性，膨胀力在热失控识别方面表现出9.35 min的提前量，在储能安全预警方面表现出了巨大潜能。同时，作者通过5行6列分布式薄膜压力传感器的云图变化进一步探究了热失控过程中压力的主要集中点。结果显示，热失控过程中，膨胀力增长主要集中在2~5行、2~6列，这种位置关系与在开阀泄压后的云图表现的力迅速下降区域基本一致。

为明确判定膨胀力作为预警信号的提前量，作者对比了相同电芯在常规1C循环和热失控两种不同状态下电池膨胀力的增长率情况。结果表明，常规循环时，电芯的膨胀力变化率绝对值在0~0.8KPa/s单位，而如若选取膨胀力的变化率为8KPa/s（即电池常规循环时膨胀力最大增长率的10倍）作为热失控时预警阈值时，膨胀力预警信号则在第136s启动预警，对比电池的电压异常信号（第678S），温度异常信号（673S）分别提前了9.0和8.9min。

不同于电池单体层级，电池系统的热失控往往在诱发及发生热失控后，还伴随着蔓延。因此作者模拟电池系统进行模组级热失控测试。测试结果显示，两片放置在模组不同位置的传感器，均在第136s开始信号迅速上升，直到第742s（热成像及视频显示此时喷阀）增长至最大值后迅速下降。对比膨胀力，电压及温度对电池异常的敏感性表现出滞后性，直到第 706s，电池 1 的电压开始出现快速掉落，第734 s 时 T2 温升开始异常增加，膨胀力对热失控的识别提前量达 9.5 min。另外，在热蔓延发生时，膨胀力出现二次迅速增长，且提前于电压、温度参数，这表明膨胀力对热蔓延导致的二次热失控依然存在明显的潜在预警能力。

最后，与单体层级预警逻辑一致，作者选取膨胀力增长率8KPa/s（即，常规循环时膨胀力增长率的10倍）作为预警阈值，安全预警将在则膨胀力预警信号在第348 s 启动预警 ，对比温度、电压信号中最早出现信号异常的时间（第706s）提前 6.0 min，为热失控早期监控预警和安全事故对应的安全系统启动及安全措施实施预留了足够时间。

 

总结

 

作者创新引入新型触觉传感技术-薄膜式压力传感系统，对热失控过程的膨胀力进行实时监控。试验对比了电池膨胀力信号、温度信号和电压信号在锂电池热失控过程中的变化差异，结果表明：

1）电池在完全热失控过程之前会发生显著的膨胀现象，膨胀力信号可在电池爆阀前非常早期识别到热失控异常；

2）选取电池常规循环时的膨胀力增长率的10倍作为预警阈值时，在单体中表现出比温度/电压信号8.9min的提前量，在模组层级中表现出6.0min的提前量，且在模组层级二次热失控阶段，膨胀力增长的迅速反应与此时的温度和电压变化滞后形成鲜明对比。

 

压力分布测量系统

压力分布测量系统，使用超薄且柔韧性可弯曲的薄膜传感器精确测量接触面的接触压力分布状况，可将整个接触面的接触压力以二维或三维彩色压力分布图像的方式显示出来，并可记录整个受力过程。

实时检测的压力数据可进行相关统计分析，并可导出二次数据分析或开发。

目前压力分布测量系统已广泛应用于新能源锂电池全链条压力检测、工业自动化检测等应用场景，赋能产业链各个环节。

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