自 20 世紀(jì) 90 年代初投入商業(yè)使用以來，鋰離子電池的性能得到了顯著提升。美國能源部 (DOE) 車輛技術(shù)辦公室 (VTO) 估計(jì)，2008 年至 2020 年間，鋰離子電池組的能量密度將增加 8 倍。

當(dāng)電池儲(chǔ)存更多能量時(shí)，它們?cè)跓崾Э厥录袝?huì)釋放更多能量。在電池組緊密排列的情況下，一個(gè)電池發(fā)生熱失控事件會(huì)導(dǎo)致相鄰電池升溫并釋放能量——這種連鎖反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生爆炸性的后果。

Forge Nano 的 Atomic ArmorTM 涂層使電池制造商能夠使用更高能量的材料來制造電池，而不必?fù)?dān)心增加熱失控事件，這應(yīng)該會(huì)減少較大電池組中的熱傳導(dǎo)。

為了測(cè)試這種傳導(dǎo)阻力，F(xiàn)orge Nano 與美國先進(jìn)電池系統(tǒng)架構(gòu)制造商 Acculon Energy 合作，在兩種類型的電池模塊中測(cè)試其 21700 電池。

PART 01. 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

Forge Nano 的 21700 電池由兩個(gè)不同的電池模塊構(gòu)成，一個(gè)由注塑 ABS 塑料制成，另一個(gè)由膨脹型熱塑性塑料制成，以確認(rèn)多模塊結(jié)構(gòu)中的抗擴(kuò)散性。測(cè)試旨在比較兩個(gè)模塊模型與陽極中使用 SiOx-石墨的高鎳 NMC 電池的熱失控抗性。

Forge Nano 電池采用 9P4S（9 個(gè)電池并聯(lián)，4 個(gè)電池串聯(lián)）配置，通過超聲波引線接合技術(shù)用鋁線連接。其中一個(gè)電池配備了電阻加熱器，而所有電池都配備了熱電偶，以監(jiān)測(cè)測(cè)試期間的溫度變化。

熱失控測(cè)試前的膨脹殼體模塊

使用恒流恒壓（CCCV ）模式逐串將模塊充滿電，電壓最高可達(dá) 4.4V。測(cè)試前，模塊在 60°C 下加熱一夜。失控測(cè)試期間的電池加熱功率手動(dòng)調(diào)整，以保持 10 °C/分鐘的加熱速率。

每次測(cè)試前，都會(huì)測(cè)量開路電壓 (OCV) 和溫度。處理模塊和連接線路后，模塊溫度下降約 10-15 度（取決于模塊）至約 44-49°C。

 TR 測(cè)試前的模塊電壓

PART 02. 模塊 1 結(jié)果 – 注塑 ABS 塑料

測(cè)試開始時(shí)，配備電阻加熱器的單電池溫度被推至 180°C，導(dǎo)致熱失控。熱失控開始時(shí)記錄的溫度比李航等人在《應(yīng)用熱工程》上發(fā)表的一項(xiàng)關(guān)于富鎳/硅石墨鋰離子電池?zé)岱€(wěn)定性的研究高出約 30°C 。電池很快達(dá)到約 400°C，然后排出大部分電池內(nèi)部活性組分。

熱失控沒有傳導(dǎo)到其他電芯，這可以從鄰近電芯溫度適度增加中看出。

注塑 ABS 模塊熱失控測(cè)試溫度數(shù)據(jù)

Acculon 的分析表明，電池活性物質(zhì)的溶出可能是造成傳導(dǎo)阻力的根本原因。計(jì)劃進(jìn)行進(jìn)一步測(cè)試。

PART 03. 模塊2結(jié)果 – 膨脹型熱塑性塑料

對(duì)于第二項(xiàng)測(cè)試，配備電阻加熱器的單電池被推至 170°C 的起始溫度，導(dǎo)致熱失控。同樣，這個(gè)起始溫度高于李航等人對(duì)類似電池的分析中看到的 150°C。電池很快達(dá)到約 550°C（明顯高于 ABS 模塊測(cè)試期間達(dá)到的溫度，但低于對(duì)高鎳 LG 18650 電池進(jìn)行的類似測(cè)試），然后冷卻到略高于 100°C，這與電池的活性物質(zhì)未從電池中排出的事實(shí)一致。

電池失控遵循與 ABS 模塊類似的模式，這是高能電池化學(xué)反應(yīng)所預(yù)期的。

儀表模塊熱失控電池測(cè)試后的外觀

Acculon 報(bào)告稱，膨脹材料吸收了部分熱能，導(dǎo)致膨脹。熱能事件發(fā)生后，附近電池的最高溫度達(dá)到 89.5°C，遠(yuǎn)低于熱失控發(fā)生的溫度。未觀察到熱能向其他電池的傳導(dǎo)。

膨脹殼體模塊熱失控測(cè)試溫度數(shù)據(jù)

PART 04. 結(jié)論

用單電池加熱器引起電池?zé)崾Э夭⑦M(jìn)行測(cè)試，ALD涂層處理的電池沒有發(fā)現(xiàn)熱失控溫度條件下的熱傳導(dǎo)，這對(duì) Forge Nano 電池配方來說是一個(gè)振奮人心的結(jié)果。在第一次模塊測(cè)試中，被推至熱失控的 Forge Nano 電池最高溫度達(dá)到 400°C，而第二次測(cè)試最高溫度達(dá)到 550°C。采用 Atomic ArmorTM 涂層材料的 Forge Nano 電池產(chǎn)生的熱量減少可能是消除模塊傳導(dǎo)的一個(gè)因素。需要進(jìn)一步調(diào)查才能得出確切的結(jié)論，這計(jì)劃在未來的模塊構(gòu)建中進(jìn)行。

自 2011 年成立以來，F(xiàn)orge Nano 已經(jīng)提高了各種高能電池材料的性能和耐用性。為了展示利用 Forge Nano 增強(qiáng)材料的電池級(jí)改進(jìn)，該公司內(nèi)部構(gòu)建和測(cè)試了各種電池配方。

與 Acculon 的合作使 Forge Nano 能夠擴(kuò)展其安全測(cè)試能力。Forge Nano 打算繼續(xù)研究Atomic ArmorTM 涂層，結(jié)合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和下一代電池組構(gòu)造方法，以確保利用 Forge Nano 技術(shù)的電池具有最高安全性。   

關(guān)于 Forge Nano 

Forge Nano 專注于粉末原子層沉積技術(shù)（PALD)，憑借其專有的 Atomic Armor™ 技術(shù)，能夠使產(chǎn)品開發(fā)人員設(shè)計(jì)任何材料直至單個(gè)原子。Atomic Armor™ 工藝生產(chǎn)的表面涂層使合作伙伴能夠釋放材料的較佳性能，實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)壽命、提高安全性、降低成本和優(yōu)化產(chǎn)品的功能。其科學(xué)家團(tuán)隊(duì)與廣泛的商業(yè)合作伙伴合作開發(fā)定制解決方案，能夠滿足任何規(guī)模的任何需求，包括從小規(guī)模研發(fā)和實(shí)驗(yàn)室級(jí)別到工業(yè)規(guī)模、大批量生產(chǎn)。

Forge Nano PALD 商業(yè)化路線

參考文獻(xiàn)

【1】Hang Li, Xiangbang Kong, Chaoyue Liu, Jinbao Zhao, Study on thermal stability of nickel-rich/silicon-graphite large capacity lithium ion battery,Applied Thermal Engineering,Volume 161,2019，114144,ISSN 1359-4311,