鋰離子電池熱失控產物特性及危險性評價 王志榮 陳施晨 9787030797223 【台灣高等教育出版社】
物品所在地：中國大陸
原出版社：科學
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書名：鋰離子電池熱失控產物特性及危險性評價
ISBN：9787030797223
出版社：科學
著編譯者：王志榮 陳施晨
頁數：xxx
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書號：1696883
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內容簡介
科學出版社北京《鋰離子電池熱失控產物特性及危險性評價》以鋰離子電池熱失控產物為研究對象，詳細論述了鋰離子電池熱失控各種產物的特性、生成機理和危險性。《鋰離子電池熱失控產物特性及危險性評價》*先簡要介紹了鋰離子電池的運行原理、典型事故、濫用及熱失控相關形式和過程，然後詳盡闡述了熱失控產物（噴射火焰和高溫混合物、固體產物、氣體產物）的特性及變化規律，揭示了熱失控產物的生成過程、參數變化、理化特性等，探究了其危險性和程度，以及相關影響因素，*後建立了熱失控危險性多參數評價方法，並對未來熱失控產物測試技術進行了展望。
目錄
目錄
前言
第1章 緒論1
1 1鋰離子電池簡介2
1 1 1鋰離子電池發展2
1 1 2鋰離子電池結構7
1 1 3鋰離子電池原理8
1 2鋰離子電池典型事故9
1 2 12010年某飛機貨機空難事故10
1 2 22017年某電動汽車撞車起火事故11
1 2 32019年某電池儲能系統爆炸事故12
1 2 42021年某儲能電站較大火災事故13
1 3鋰離子電池濫用及熱失控14
1 3 1鋰離子電池濫用形式14
1 3 2鋰離子電池熱失控過程17
1 3 3鋰離子電池熱失控產物危險性27
1 4本章 小結31
參考文獻31
第2章 熱失控噴射火焰和高溫混合物特性44
2 1實驗裝置與方法44
2 1 1實驗裝置44
2 1 2實驗方法47
2 2噴射火焰和高溫混合物噴射過程特徵47
2 3噴射火焰和高溫混合物溫度變化特性50
2 4噴射火焰和高溫混合物噴射形態特徵分析52
2 4 1噴射形態特徵52
2 4 2噴射形態變化特性52
2 4 3噴射形態變化預測57
2 5噴射火焰和高溫混合物危險性分析59
2 6本章 小結61
參考文獻61
第3章 熱失控固體產物特性63
3 1實驗裝置與方法63
3 1 1實驗裝置63
3 1 2實驗方法67
3 2噴射固體粉末過程及粉末特徵68
3 3典型過程中噴射固體粉末成分分析70
3 3 1粉末形貌及特徵顆粒分析70
3 3 2粉末組成物質分析77
3 3 3粉末元素分析84
3 4不同條件下噴射固體粉末特性分析89
3 4 1粉末成分熱分析89
3 4 2粉塵爆炸特性分析95
3 5噴射固體粉末毒害性分析98
3 6噴射固體粉末危險性分析99
3 7本章 小結100
參考文獻100
第4章 熱失控氣體產物特性105
4 1實驗裝置與方法105
4 1 1實驗裝置105
4 1 2實驗方法108
4 2產氣過程特性111
4 2 1產氣過程111
4 2 2荷電狀態對產氣速率的影響114
4 2 3產氣成分及含量分析119
4 2 4產氣機理分析124
4 3產氣濃度變化及危險性128
4 3 1不同氣氛熱失控產氣對比分析128
4 3 2不同熱失控條件下產氣的濃度變化131
4 3 3產氣危險性預測模型135
4 3 4產氣燃燒爆炸危險性研究142
4 4產氣衝擊壓力變化及危險性149
4 4 1衝擊壓力特性150
4 4 2衝擊壓力危險性分析159
4 5本章 小結162
參考文獻164
第5章 熱失控多參數危險性評價方法166
5 1多參數評價指標體系166
5 2模糊對比矩陣170
5 3多參數權重確定172
5 3 1一致性檢驗172
5 3 2權重計算173
5 3 3評價等級劃分確定175
5 4實例分析177
5 5本章 小結180
參考文獻181
第6章 熱失控產物測試技術展望183
6 1電子顯微技術183
6 2成分分析技術187
6 3原位測試技術191
6 4非消耗性和非侵入性技術194
6 5電池樣品的適應性改造技術196
6 6本章 小結197
參考文獻197
精彩書摘
第1章 緒論
近年來，伴隨著人類即將面臨的化石燃料枯竭的困境，人們對清潔能源的需求與日俱增，因而鋰離子電池（lithium-ion battery，LIB）取得了長足的發展。自1991年鋰離子電池商業化以來，廣泛使用的筆記本電腦、智能手機、電動汽車（electric vehicle，EV）、混合動力電動汽車（hybrid electric vehicle，HEV）、插電式混合動力電動汽車（plug-in hybrid electric vehicle，PHEV）和儲能系統（energy storage system，ESS）刺激了鋰離子電池的快速增長。
鋰離子電池因具有高電壓、高能量密度、低成本和可重複充電等優點，成為消費類電子產品和電動新能源汽車的*選電力來源［1］，特別是在電動汽車領域中的利用率不斷提高［2］，燃油汽車逐漸被新能源汽車取代。鋰離子電池目前正作為電動汽車儲能系統的核心組件。除了這些應用之外，鋰離子電池還成為將電動汽車充電站與光伏電池和風能動力系統結合使用的*佳選擇。鋰離子電池在儲能系統領域中具有無限的潛力，特別是與尚在發展中的家用太陽能系統（solar home system，SHS）和不斷發展的新型電網相結合。可以預見，在今天和不久的將來，鋰離子電池將在可再生能源和大幅減少碳排放方面發揮核心作用［3］。
與此同時，鋰離子電池的性能、電池容量和安全問題等一直是消費者*關注的關鍵特徵。為了滿足消費者的需求，人們熱切期待具有高能量密度的鋰離子電池為便攜式設備和電動汽車供電。為了獲得更高的電池效率和能量密度，在商用鋰離子電池問世之後，人們付出了非常多的努力來增強鋰離子電池的相關性能，如鋰離子電池製造商製造出更高能量密度和更薄的電池。但是，這可能會削弱其固有的安全性設計。正是這些嘗試導致鋰離子電池的各種安全問題［4］，由此導致的事故也逐漸引起了人們對其安全性的重視［5，6］。
由於諾貝爾化學獎獲得者——被譽為”鋰離子電池之父”的John B Goodenough的關注［7］，電動汽車和儲能系統的電池安全相關的問題已被公認為是鋰離子電池應用中*緊迫的挑戰。為了安全起見並滿足相關法規的要求，在鋰離子電池上市銷售之前，必須通過模擬異常情況的安全測試。然而，在實際使用時，由於濫用或外部因素引起的電池破裂、煙霧、火災或爆炸事件卻常有報道。造成這些悲劇的*關鍵原因是鋰離子電池模塊或電池組的熱失控行為。當鋰離子電池在充電、放電或非工作狀態遇到異常情況時［8］，很容易發生熱失控，從而進一步導致起火或爆炸。這種異常的情況通常被稱為濫用過程，包括電濫用如內部短路［9］和過充電［10］等，機械濫用如機械衝擊、壓力、擠壓、針刺等，熱濫用如高溫、外部火源［11，12］等，這些原因會導致熱失控事故的發生［13］。尤其是在電池組中，電池發生的熱失控會向相鄰電池進行傳播，同時會對電子器件造成破壞［14］，因而引起了人們極大的關注。特別是在近些年來，鋰離子電池電動汽車發生了許多災難性的火災事故［15］（圖1 1）。2016年9月初，三星電子發佈了全球*大的召回通知，包含超過200萬部Galaxy Note 7旗艦手機。之前，有一百多名早期客戶報告了其手機發生了著火或爆炸。之後，三星召回所有Galaxy Note 7設備，並于10月完全停止銷售。經過調查發現，來自電池供應商的兩個微小而無意的生產缺陷造成了Galaxy Note 7的火災隱患［3］。
圖1 1 美國2020年12月某電動汽車自燃事故（圖片來自鳳凰網）
1 1 鋰離子電池簡介
1 1 1 鋰離子電池發展
在20世紀70年代後期，科學家開始開發鋰離子電池這種可充電的電池。這種電池可為從便攜式電子產品到電動汽車和手機在內的所有產品提供電能來源。2019年諾貝爾化學獎授予了John B Goodenough、M Stanley Whittingham和Akira Yoshino三位科學家，以表彰他們在開發鋰離子電池方面的工作。根據諾貝爾獎官方的說法，”這種輕巧、可充電和強大的電池現已用於從手機到筆記本電腦和電動汽車的所有領域。它還可以儲存來自太陽能和風能的大量能量，使無化石燃料社會成為可能”。
在20世紀70年代的石油危機期間，當時為埃克森公司工作的英國化學家M Stanley Whittingham開始探索一種新電池——可以在短時間內自行充電的電池，也許有一天它會促成無化石燃料能源的出現。在他開發的第1代鋰電池中，使用二硫化鈦和鋰金屬作為電極，但這種材料組合帶來了一些挑戰，包括嚴重的安全問題。在發生電池短路並著火後，埃克森公司決定停止實驗。然而後來，在得克薩斯大學奧斯汀分校工作的John B Goodenough卻產生另一種想法。在20世紀80年代，他嘗試使用鈷酸鋰作為正極而取代二硫化鈦，得到了很好的結果：電池的能量潛力翻了一番。之後，日本的吉野彰（Akira Yoshino）又進行了一次材料的替換。他沒有使用活性鋰金屬作為負極，而是嘗試使用碳質材料石油焦，這導致了一個革命性的發現：新電池在沒有鋰金屬的情況下不僅明顯更安全，而且性能更穩定，從而生產了鋰離子電池的第1個原型。
後來，自索尼公司和A&T電池公司在1991年和1992先後將鋰離子電池商業化之後，鋰離子電池由於性能優良、無記憶效應等特性，立刻被市場廣為認可［16］。常見的鋰離子電池有圓柱形、方形以及其他形狀。圓柱形電池以索尼、三星、LG、三洋等品牌的18650型圓柱體電池為代表，此類電池的直徑為18mm，高度為65mm，0代表圓柱形。方形電池的體積、大小多根據實際使用的設備來定制生產。在實際使用中，多個單體電池通常採取串並聯的方式形成電池模塊來達到高電壓、高容量的目的，然後各模塊再組成電池組投入使用。
鋰離子電池的商業化生產徹底改變了便攜式電子產品的設計方式，新型手持電子設備重新定義了現代人類生活的各個方面。商業化後，鋰離子電池經歷了顯著的性能提升。在正極基本保持不變的情況下，研究人員對負極和電解液進行了升級，以獲得更高的能量密度、更高的充放電速率和更長的循環壽命。在對碳質負極的研究中，Dahn等在1995年定義了三類不同材料：石墨、含氫炭和硬炭。這些材料的不同通用電壓充放電*線如圖1 2（a）所示［17］。與石墨和硬炭相比，含氫炭材料的容量很大，但在實際應用過程中，因脫鋰過程中的過電位過大而被放棄［18］。東芝公司在1995年的相關補充工作［19］發現，碳材料的比容量和充電穩定性取決於其間距d002。如圖1 2（b）所示，在d002≈0 344nm時比容量*小。通過減小間距（變得更石墨化）或增加間距（更趨向於硬炭），就可以提高比容量。與石墨一樣，硬炭具有比軟炭更高的容量，但沒有與石墨相同的剝落問題，並且具有更強的穩定性。此外，與軟炭（d002=0 344nm）相比，硬炭的d002（>0 372nm）較大，在鋰化時沒有太大的體積變化（硬炭變化1%，而石墨變化10%［20］），即使在更高的充電電壓［4 2V全電池，鈷酸鋰（LiCoO2，LCO）為正極，硬炭為負極］下也能提供出色的可逆性［21］。因此，第二代鋰離子電池不再使用軟炭（焦炭），而是使用由炭化的高度交聯聚合物（如酚醛樹脂）生產的硬炭［22］。硬炭賦予負極優異的穩定性［23］，同時第二代鋰離子電池的體積和質量能量密度在當時預估能分別達到220W？h/L和85W？h/kg，並可充電至4 2V［24］。與第1代相比，體積能量密度和質量能量密度分別達到了295W？h/L和129W？h/kg［21］。然而，除了質量密度較低（石墨層之間的間距較大）外，硬炭的*次循環容量異常大，且不可逆。這在*次充電時消耗了正極的大量鋰離子，*終需要額外的正極容量來補償，從而降低了整體能量密度［18］。此外，硬炭（甚至軟炭）的鋰化/脫鋰平臺是傾斜的，而石墨的電壓平臺異常平坦。因此，石墨負極再次受到追捧。由於與碳酸丙烯酯（propylene carbonate，PC）溶劑形成不穩定的固態電解質界面（solid electrolyte interface，SEI），石墨*初使用時效果不佳。所以，需對電解液進行調整，*初是用碳酸乙烯酯（ethylene carbonate，EC）代替PC。與PC相比，EC能提供更穩定的SEI層，但熔點高達約39℃。EC必須與其他溶劑混合以在室溫下保持液態，並且達到合適的黏度［25］。1990年，Fong等提議將EC和PC按50∶50的比例混合使用，並證明EC的摻入防止了PC共嵌到石墨結構中，*終降低了石墨的有害剝落［26］。這就限制了主要發生在*次放電循環中不可逆的SEI形成，並在隨後的循環中能保持穩定。1995～1997年，在電解液中將EC與PC和其他碳酸酯混合是在商業化鋰離子電池中重新引入石墨的主要因素之一［27-29］。石墨的高容量仍然以可循環性為代價，這意味著硬炭並沒有被完全放棄。石墨和硬炭各有優缺點，有些研
