研究背景：

對于關注電池安全的人而言，2019年注定是不平凡的一年，原因有三：首先，上半年發生了多起知名品牌(特斯拉、蔚來、吉利等)電動汽車起火事故，社會關注度極高；其次，CATL NCM811電池正式從量產供貨，吉利幾何A、廣汽Aion S、小鵬G3（2020）等多款車型均將搭載NCM811電池包；第三，《電動汽車用動力蓄電池安全要求》報批稿已送審WTO并將很快發布。孟子說魚和熊掌不可兼得，對于還使用有機電解液的鋰離子動力電池，在目前的技術背景下對電池能量密度的瘋狂追求大概率意味著電池安全性的犧牲。

電池安全始終是相對的，并沒有絕對意義上的安全。在正常安全邊界內，電池使用的安全性是可以得到充分保證的；但在極端濫用(如過充、針刺、過放、加熱等)條件下，電池發生熱失控是大概率事件甚至是必然。因此，企業內電池安全工程師的一大職責就是研究電池在各種極端濫用條件下的失效機理及表現，在綜合考慮電池使用性能和成本的前提下盡可能提高電池極端濫用條件下的熱失控門檻，將熱失控的可能性進一步降低。在各種濫用測試中，過充是相對較為苛刻的，特別是對于NCM811體系電池而言，按照GB/T31485進行過充測試起火爆炸更是司空見慣。

Ahmed Abaza2017年畢業于華威大學，博士期間就和捷豹路虎的電池研發工程師Ronny Genieser一起開展動力電池濫用安全研究，17年畢業后以高壓電池工程師加入捷豹路虎工作。Abaza博士期間研究重點關注針刺、外短路、過充，其博士論文在網上能找到，感興趣的朋友、特別是剛開始接觸動力電池安全研究的朋友可以去本文最后面的鏈接進行下載。在Ahmed Abaza的博士論文中，有一章節就是對比動力電池常溫過充和絕熱過充。一般電池安全測試過充均在常溫進行，絕熱過充相對較為少見，因此該結果具有一定的參考價值，特此分享。

圖文淺析：

一．基本信息

表1.實驗所用電池信息。

圖1.電池絕熱過充測試布置圖。

如表1所示，實驗所用電池為15 Ah LMO-NMC混合正極的軟包電池，電池正常電壓范圍為2.7-4.2 V。電池絕熱過充是在ARC絕熱量熱儀器中進行，如圖1所示，過充測試時電池未帶夾具進行約束處理。過充測試的截止條件為電池電壓達到7.9 V。

二．常溫過充

圖2.電池常溫過充結果對比：(a) 1.0 C過充；(b) 0.13 C過充。

如圖2所示，1 C常溫過充約40 min電池電壓達到7.9 V，而0.13 C常溫過充則需要約750 min電池電壓才達到7.9 V，750 min/40 min=18.75>1 C/0.13 C=7.69，表明過充倍率對電池的過充行為表現有重要影響，且該影響并非簡單的線性關系。從電池表面溫度上看，1 C過充全程電池表面最高溫度在70 ℃，而0.13 C過充最高溫度不超過40 ℃，電池都沒有發生熱失控。另外，值得注意的是，無論是1 C過充還是0.13 C過充，電壓電池都是先上升隨后在5.0 V左右類似出現平臺的現象，最后電壓快速升高至7.9 V截止。考慮到過充過程電流值都是恒定的，作者認為5. 0V左右的平臺區是電池產氣鼓脹導致內阻增大和析鋰短路的綜合結果，而后續電壓快速階躍至7.9 V則是電池產氣嚴重、內阻顯著增大占據主要因素的結果。

圖3.電池常溫過充結果對比。

如圖3所示，如果以SOC作圖，可以看到1 C過充電池在160%SOC即達到7.9 V截止條件，而0.13 C過充電池在約270%SOC才達到截止條件。同圖2類似，過充電流越大，電池電壓和表面溫度升高越明顯，并且并非簡單的線性關系。鑒于目前常規的NCM體系軟包電池1 C過充極易發生熱失控，以上測試結果也表明過充測試的最終結果不僅取決于充電倍率，同時也取決于電池的化學體系、尺寸和容量等。

三．絕熱過充

表2.不同倍率絕熱過充結果匯總。

圖4.(a) 電池0.13 C過充后照片；(b)電池0.33 C和1.3 C過充后照片。

圖5.電池不同倍率絕熱過充結果對比。

與常溫過充不同，絕熱過充電池內部產熱完全無法散出，電池的熱累積現象更為嚴重。如表2和圖5所示，1.3 C、0.33 C和0.13 C過充電池電壓達到7.9 V截止的時間分別為58 min、237 min和602 min，雖然時間不同但從過充額外容量上算三者的都是極為接近的(19-20 Ah)，電池失效SOC在230%SOC附近，這與電池常溫過充的非線性有較明顯區別。此外，在常溫過充中，論是0.13 C還是1 C過充電池均只有鼓脹而沒有發生熱失控，但在絕熱過充條件下0.33 C和1 C過充電池在靜置過程均發生了起火，0.13 C過充電池發生了破口。這也表明相較于常溫過充，絕熱過充測試條件更為苛刻和惡劣，電池更容易發生熱失控。

圖6.電池不同倍率絕熱過充結果對比: (a) 0.13 C；(b) 0.33 C; (c) 1.3 C。

如圖6所示，不同倍率絕熱過充電池并非在充電階段發生熱失控，而是在后續的靜置過程發生問題。0.13 C、0.33 C和1.3 C絕熱過充分別在過充停止靜置14 min、49 min和48 min電池發生起火或者破口。

四．小結

Ahmed Abaza博士階段所做的過充測試能給我們以下信息：

(1)影響過充測試最終結果的因素很多，散熱條件、充電倍率、電池化學體系等都會對結果產生影響，測試和分析時應具體問題具體分析，切勿一概而論。

(2)常溫過充由于受散熱的影響，電池的表現和倍率之間并非簡單的線性關系。但考慮到動力電池在實際應用中的場景，常溫過充相對絕熱過充更接近真實情況。

(3)絕熱過充電池的失效SOC反倒較為一致，電池的表現和倍率之間有一定的線性關系，這也表明絕熱過充更能反映電池本征的一些熱特性。