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原文传递高镍正极锂离子动力电池电性能与热安全性研究

论文题名：	高镍正极锂离子动力电池电性能与热安全性研究
关键词：	电动汽车;锂离子动力电池;高镍三元正极;硅碳负极;电性能;热安全性
摘要：	随着能量密度的提升，以热失控为特征的锂离子动力电池系统热安全事故时有发生，影响了电动汽车市场竞争力。高镍三元正极材料与硅碳负极材料组成的锂离子动力电池是最具应用前景的下一代电池体系。作为两种典型的层状高镍三元正极材料，LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2（NCM811）和LiNi0.8Co0.15Al0.05O2（NCA）有望在锂离子动力电池中商业化。因此，本文对NCM811\|SiC电池单体和NCA\|SiC电池单体的电性能和热安全性能进行研究。　　首先，对NCM811\|SiC电池单体和NCA\|SiC电池单体进行电性能测试，主要包括在3~4.2 V电压窗口下的恒流循环性能测试和不同充放电倍率（0.2 C、0.5 C、1C、2C、3C、4C）下的循环性能测试，分析其放电容量和循环稳定性。在恒流循环性能测试中，NCM811\|SiC电池和NCA\|SiC电池的初始容量分别为1000.3 mAh和1002.7 mAh。充放电循环200圈以后，NCM811\|SiC电池和NCA\|SiC电池的放电容量分别为857.2 mAh和891.5 mAh，对应的容量保持率分别为85.7%和88.9%。在倍率性能测试中，在各个倍率充放电循环下，NCA\|SiC 电池的放电容量都要比NCM811\|SiC电池的放电容量高。研究发现，NCA\|SiC电池的循环稳定性和倍率性能优于NCM811\|SiC电池。　　其次，对两种高镍锂离子动力电池进行单体层级的热安全性测试和分析。本文对NCM811\|SiC电池和NCA\|SiC电池进行绝热热失控测试（ARC）和侧向加热测试。在ARC测试中，NCA\|SiC电池单体的T1和T2比NCM811\|SiC电池单体高，且NCA\|SiC电池单体的热失控最高温度T3和热失控的最大温升速率max{dT/dt}也更高。在侧向加热测试中，在相同的加热条件下，NCA\|SiC 电池单体发生热失控比NCM811\|SiC电池单体晚了约60 s，但是NCA\|SiC电池单体热失控的最高温度却比NCM811\|SiC电池单体高了约100℃。研究发现，相较于NCM811\|SiC电池， NCA\|SiC电池相对不容易发生热失控，但若发生热失控，将会更加剧烈。　　最后，对两种高镍锂离子动力电池进行了材料层级的热安全性测试和分析，探究NCM811\|SiC电池和NCA\|SiC电池的单体安全性表现的深层原因。对锂离子电池内部的反应体系进行了划分，分为一元体系（“正极”体系、“负极”体系和“电解液”体系）、二元体系（“正极+负极”体系、“正极+电解液”体系和“负极+电解液”体系）和全电池体系（“正极+负极+电解液”体系）。对不同体系的材料进行了DSC-TG-MS测试，对各个体系的产热情况、失重情况和产气情况进行分析。研究发现，就单独正极材料而言，NCA的热稳定性要高于NCM811。但当正极材料与负极及电解液混合之后， NCA 体系的热安全性反而要差于NCM811体系。这是因为NCA的释氧温度高于NCM811，它在更高的温度下与硅碳负极发生了更加严重的反应。该发现可以解释在发生热失控之后，NCA\|SiC 电池的热稳定性发生恶化的现象。
作者：	张芙魁
专业：	机械
导师：	邓涛
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2023