鋰離子電池的低溫特性是一項(xiàng)重要指標(biāo)，特別是在一些相對(duì)特殊的領(lǐng)域，例如特種航天中所用到的電池。譬如針對(duì)月球背面溫度有可能達(dá)到-200℃這一現(xiàn)狀，印度ISRO衛(wèi)星中心的老鐵們就開(kāi)展過(guò)18650電池在極低溫下儲(chǔ)存的研究。

他們利用液氮將不同化學(xué)體系的18650電池在-160℃保持14天，隨后觀察電池容量、外觀尺寸、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等是否發(fā)生了變化。最終結(jié)果顯示即使在-160℃保持14天，電池的容量、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)顯著變化，很神奇！

電池的生產(chǎn)制造、使用、運(yùn)輸、回收處理都涉及到熱失控的問(wèn)題。針對(duì)電池運(yùn)輸過(guò)程的安全問(wèn)題，早前英國(guó)華威大學(xué)和捷豹路虎的研究人員研究了LiFeOP4電池在不同SOC下的外短路行為，發(fā)現(xiàn)電池即使在30%SOC仍存在熱失控風(fēng)險(xiǎn)，并建議運(yùn)輸過(guò)程最好將電池放電至0%。同樣是針對(duì)電池運(yùn)輸過(guò)程的安全問(wèn)題，還是華威大學(xué)的研究人員，提出了新招：用液氮將電池進(jìn)行快速冷凍。

研究背景

圖1.歐盟危險(xiǎn)品國(guó)際道路運(yùn)輸協(xié)議(ADR，EuropeanagreementconcerningtheInternationalCarriageofDangerousGoodsbyRoad)中關(guān)于EOL鋰離子電池的運(yùn)輸選擇。

本研究的背景建立在ADR對(duì)EOL鋰離子電池運(yùn)輸有嚴(yán)格的限定，對(duì)于存在安全風(fēng)險(xiǎn)的電池，其運(yùn)輸必須配備防爆容器。其中ADR所描述的安全風(fēng)險(xiǎn)包括：“l(fā)iabletorapidlydisassemble,dangerouslyreact,produceaflameordangerousevolutionofheatoradangerousemissionoftoxic,corrosiveorflammablegasesorvapours”。如果嚴(yán)格按照ADR的規(guī)定，防爆容器花費(fèi)不菲。以Tesla典型pack計(jì)算，配備防爆容器需10000歐元，同時(shí)UN認(rèn)證也要耗費(fèi)10000歐元。因此，基于EOL電池運(yùn)輸成本上的考慮，作者提出將電池進(jìn)行快速冷凍后運(yùn)輸以避免使用昂貴的防爆容器。

圖文淺析

表1.實(shí)驗(yàn)所用的軟包電池和18650電池。

實(shí)驗(yàn)所用電池有兩款，軟包電池為三元NMC體系，DowKokam公司生產(chǎn)；18650電池為NCA體系，Panasonic公司生產(chǎn)。

圖1.液氮冷凍電池實(shí)驗(yàn)裝置。

圖2.左圖：液氮冷凍后的軟包電池；右圖：正常室溫下的軟包電池。

實(shí)驗(yàn)采用液氮將電池進(jìn)行快速冷凍，裝置如圖1所示。白色塑料桶上所乘液氮5L，將電池浸入液氮冷凍5min，以保證電池徹底冷凍。隨后將電池取出恢復(fù)至室溫15℃。其中，軟包電池經(jīng)液氮冷凍后的照片如圖2所示。注：液氮溫度為-196℃。

圖3.對(duì)液氮冷凍后的軟包電池(左圖)和正常室溫下的軟包電池(右圖)進(jìn)行針刺測(cè)試。

針刺測(cè)試所用鋼針直徑20mm，針刺速度80mm/s。軟包電池針刺結(jié)果如圖3所示，液氮冷凍后的電池針刺不冒煙、不起火、不爆炸，而室溫下的電池針刺則發(fā)生熱失控冒出白煙，表明液氮冷凍后的電池具有良好的安全性。值得注意的是常用電解液凝固點(diǎn)在-40℃左右，因此具體實(shí)施時(shí)無(wú)需必須使用液氮，只要確保電解液能低溫凝固即可。

圖4.不同SOC軟包電池(a)和18650電池(b)經(jīng)液氮冷凍前后容量對(duì)比。所有電池在Characterisation6開(kāi)始才經(jīng)液氮冷凍。

圖5.不同SOC軟包電池(a-c)和18650電池(d-f)液氮冷凍前后HPPC測(cè)試結(jié)果對(duì)比。其中ref為對(duì)照組，未經(jīng)液氮冷凍。

液氮冷凍前后軟包電池和18650電池容量和HPPC測(cè)試結(jié)果分別如圖4和圖5所示，不難看出液氮冷凍對(duì)電池電化學(xué)性能影響并不大。因此，建議在無(wú)法確定電池安全性，但又要考慮運(yùn)輸成本、電池電化學(xué)性能的時(shí)候，冷凍大法或許是個(gè)選擇。

感受：不得不說(shuō)，論對(duì)電池安全的重視程度，國(guó)外友人確實(shí)是操碎了心，各種點(diǎn)子都有。國(guó)內(nèi)呢？