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半固态磷酸铁锂电池与钛酸锂电池安全性分析

2021-12-11 21:25:55·  来源：电动学堂  作者：张伟先等  
　
文章来源：1.大功率交流传动电力机车系统集成国家重点实验室；2.中车株洲电力机车有限公司3.武汉地铁运营有限公司；4.武汉地铁集团有限公司0引言近年来，锂电池
文章来源：1.大功率交流传动电力机车系统集成国家重点实验室；2.中车株洲电力机车有限公司3.武汉地铁运营有限公司；4.武汉地铁集团有限公司
0引言
近年来，锂电池在轨道交通领域的应用越来越广泛，其主要作为列车辅助备用电源、备用动力牵引源及动力电源。能量密度、功率密度、循环寿命和安全性是锂电池的关键指标，其中安全性指标是轨道交通车载储能大规模应用的第一指标。钛酸锂电池和半固态磷酸铁锂电池是目前电池类型中相对安全的储能器件，前者采用三维尖晶石结构，其平台电位约为1.55V，不易产生锂枝晶，避免了刺穿隔膜造成内部短路；后者固态电解质的熔点超过170℃，分解温度超过350℃，而市面上隔膜的收缩温度一般低于130℃，熔点一般低于160℃，破裂温度一般低于180℃，因此隔膜在高温下收缩破损后固态电解质依然可以保证完整性，作为第二层保护隔绝正负极接触，从而缓解热失控进程。为了进一步评估这两种电池对轨道交通列车的适应性，本文基于标准Q/CRRCJ39—2019《轨道交通动力电池单体和模块》，对钛酸锂电池和半固态磷酸铁锂电池进行安全性试验，对比研究针刺、极限过充、短路、极限加热过程中器件的安全性能，评估其在轨道交通领域应用的可能性。
1安全性对比试验
1.1锂电池性能参数
本次试验所用半固态磷酸铁锂电池及钛酸锂电池的性能参数如表1所示。

1.2安全性测试方法
1）针刺试验。
将电池按标准要求的充放电条件充至满电状态，后采用φ8mm的耐高温钢针以（25±5）mm/s的速度从垂直于电芯极板的方向贯穿，贯穿位置靠近所刺面的几何中心。钢针停留在电芯中1h，观察并记录电池中心、正极耳、负极耳、钢针的温度变化和电池端电压的变化。
2）极限过充试验。
将电池按标准要求充至满电状态，静置1h后，以1C恒流充电至起火爆炸或设备最高量程19V，监测电池中心、正极耳、负极耳的温度变化和电池的荷电状态、端电压的变化。标准只要求充电至终止电压的1.1倍或满电荷的1.15倍，试验要求远高于标准。
3）短路试验。
将电池按标准要求充至满电状态，静置1h，外接小于5mΩ的电阻，短路1h，或短路至电池起火或爆炸，或电池电压达到0V。监测电池中心、正极耳、负极耳的温度变化和电池端电压、放电电流的变化。
4）极限加热试验。
将电池按标准要求充至满电状态，静置1h，以5℃/min的速率由室温升温至电池起火或爆炸，或达到200℃，保持30min后停止。监测电池中心、正极耳、负极耳的温度变化和电池端电压的变化。标准只要求温升至（130±2）℃并保温30min，试验要求远高于标准。
2安全性能测试结果分析
2.1针刺试验分析
针刺试验结果如表2所示，试验过程中样品电压、各采集点温度变化曲线如图1所示。


针刺试验前后，两组试验对象仅存在些许压降及一定温升，除此之外无明显表现现象。
2.2极限过充试验分析
极限过充试验结果如表3所示，试验过程中样品电压、剩余可用电量占总容量的百分比（SOC）、各采集点温度变化曲线如图2所示。

极限过充试验中，钛酸锂电池出现起火，半固态磷酸铁锂电池在鼓包一段时间后泄气并过充至19V。根据测试曲线，半固态磷酸铁锂电池过充持续时间仅10min，发生过充故障时SOC为117%；钛酸锂电池过充持续时间48min，发生过充故障时SOC为218%。在起火前，钛酸锂电池温升变化率低于半固态磷酸铁锂电池，起火瞬间温度产生突变。两种电池均能符合相关标准要求，且钛酸锂电池的过充能力（耐受过充时间）远高于半固态磷酸铁锂电池。
2.3短路试验分析
短路试验结果如表4所示，试验过程中样品电压、电流及各采集点温度变化曲线如图3所示。

短路试验中，两种电池的最大短路电流均大于800A，最大温升在100K左右，半固态磷酸铁锂电池存在明显鼓包现象，钛酸锂电池无明显表现现象。
2.4极限加热试验分析
极限加热试验结果如表5所示，试验过程中样品电压、各采集点温度变化曲线如图4所示。

极限加热试验过程中，两组电池均在200℃以下发生温度突变，同时电压快速降低至0V并伴随着较为剧烈的冒烟现象。两种被试品的过温能力都远高于标准规定的130℃，具有较高的安全性。

3结束语
通过对比试验可知，钛酸锂电池和半固态磷酸铁锂电池均具有较高的安全性。钛酸锂电池具有很高的过充能力，可长时间承受过充；半固态磷酸铁锂电池虽然过充能力较差，但在过充后没有产生起火现象，具有很好的安全性。钛酸锂电池大倍率充放电性能将是轨道交通应用动力锂电池的首选。半固态磷酸铁锂电池已经开始进行小批量应用，虽然其功率性能及寿命不如钛酸锂电池，但在轨道交通的辅助系统、备用电源及功率性能要求较低的调车动力电池等方面具有很好的应用前景。
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