欧陽明高院士：電池の発熱量の3つの特徴と4つの制御方法

ଲେଖକ: ଆଇଫ୍ଲୋପାୱାର - Soláthraí Stáisiún Cumhachta Inaistrithe

中国科学院院士、私の国の清華大学の欧陽明高教授。 バッテリーの安全性は輸送や現代の旅行において非常に重要な応用価値を持ち、特にエネルギー安全保障においても世界的な焦点となっています。 米国エネルギー省（DOE）とドイツ科学研究所（BMBF）および関連する国際的に著名な学者は、国際電池安全セミナー（IBSW）を立ち上げ、2015年にドイツのミュンヘン大学、2017年に米国のサンディア国立研究所で継続して開催されました。

ルームにて、第1回および第2回国際電池安全セミナー（IBSW）を成功裏に開催しました。 2019年10月7日、第3回国際電池安全セミナーが北京で開催されました。 清華大学電池安全研究室が主催した総会では、「電気自動車用高比重電池よりも安全な電池」がテーマとなった。

会議では、中国科学院院士、清華大学の欧陽明高教授が基調講演を行い、「清華大学モーターリチウム電池の安全性研究」を紹介した。 内容は、次のとおり構成されています。皆様、こんにちは！私は清華大学から来ました。 まず最初に、清華大学の新エネルギー電力システム研究グループを紹介します。

2001年以来、当社は国家の新エネルギー車の重点的な研究開発チームであり、中国と米国の主導チームでもあります。 私たちのチームは、動力用リチウム電池、燃料動力用電池、ハイブリッド動力など、さまざまな研究において重要な役割を果たしています。 動力用リチウム電池に関しては、安全性が重要であり、燃料動力用電池に関しては耐久性が重要であり、ハイブリッドに関しては、内燃機関の排出ガス制御が重要となります。

これが私たちの重要な 3 つの焦点です。 本日は、安全性に関する当社の研究成果について重要なご紹介をさせていただきました。 清華大学バッテリー安全研究所は2009年に設立されました。

重点はバッテリーの安全性です。 具体的には、バッテリーの熱が制御不能になります。 ここでは熱制御不能に関する研究の進歩について紹介します。

電気自動車においてセキュリティが重要な課題であることは誰もが理解しており、安全事故を引き起こす原因は多岐にわたります。 バッテリー内で制御不能な熱が発生すると、バッテリーシステム全体に広がり、最終的に事故が発生します。 これは、バッテリー安全性における当社のパートナーの一部であり、国際的に重要な自動車メーカーと重要なバッテリーメーカー、および中国の重要な自動車メーカーと重要なバッテリーメーカーが含まれており、知的財産特許のライセンスも国内外の企業などから提供されています。

ここは私たちのバッテリー安全研究所です。 昨日は多くの参加者が私たちの研究室を訪問しました。 皆様のご来訪と交流をお待ちしております。

当社のバッテリー安全研究所には、熱制御不能に対する ARC を使用したより特徴的な熱制御不能実験である一連のテスト方法があります。 当社は大容量パワーリチウム電池に関するARC実験の世界的ユニットです。 多数の実験研究を経て、バッテリーの熱暴走の3つの特性、自己発熱開始温度T1、熱暴走トリガー温度T2、熱暴走最大温度T3をまとめました。また、この法則に沿って、多くの種類のパワーリチウムバッテリーテストも行いました。

T2が最も重要で、T1の反応がより明確で、通常はSEIフィルムが始まります。T3は全体の反応エンタルピーに依存します。T2はあまり明確ではありませんが、これも最も重要です。なぜゆっくりと上昇するのでしょうか。熱が突然急激なヒーターを引き起こし、上昇速度は毎秒1000度以上に達する可能性があり、これが熱発生の鍵となります。 したがって、T2 の調査を通じて、3 つの重要な理由が明らかになりました。 最初のものはより明確に、内部短絡です。

それは最終的には短絡しているダイヤフラムに関係しています。 また、新たに発見された正の物質である酸素の放出、リチウムのリチウム、酸素の正の限界、リチウムの負の限界、横隔膜の崩壊をまとめると、これら3つの原因が最終的にT2の形成の主な原因となります。 以下では、先に述べた3つのメカニズムと、熱暴走制御の仕組みと進行について紹介しましたが、その1つが、内部短絡とBMSの短絡制御です。

2 つ目は、正の制限によってバッテリーの熱が制御不能になり、熱設計が崩れることです。 3つ目は、リチウムと電解質の激しい反応によって引き起こされるサーモスタットと当社の充電制御です。 3 つの技術があれば、熱の制御不能の問題を解決できます。

最後の秘訣は、熱拡散を抑えることです。熱拡散の法則を理解し、熱拡散を抑えながら、最終的に安全事故を防ぐ必要があります。 これら 4 つの側面についてご紹介します。まず、短絡と BMS です。 衝突、機械的、そして最終的にはダイヤフラムの破裂などの機械的な理由、または電気的な理由、過充電、リチウムの分岐結晶、樹枝状の穿刺、または過熱は、もちろん、最終的には過熱になり、過熱はダイヤフラムの崩壊につながる可能性があります。すべての理由は短絡に関連していますが、同じではなく、進化のプロセスは異なりますが、ダイヤフラムのクラッシュとダイヤフラムの溶解に終わります。

そこで、私たちは加熱熱量計とDSCを使用し、一つは材料の発熱からそのメカニズムを説明し、一つは単一バッテリー全体の熱伝達から単一バッテリー全体の熱放出を説明し、熱制御不能の実験ヒール材料の熱特性を分析し、それが私たちが日常的に行っている熱制御不能のメカニズムです。 ダイアフラムの溶融により内部短絡が発生し、温度が上昇し始め、ダイアフラムがクラッシュして T2 が形成され、直接的に熱が制御不能になることがわかります。これは、より一般的な原因です。 当社では、さまざまな物質を分析するために、さまざまな材料分析方法、熱重量および質量分析法など、他の多くの補助手段も使用しています。

これは当社の基本的な分析方法であり、さまざまなバッテリー、さまざまなメカニズムを分析できます。 これは最初のもので、熱暴走防止法の一種でもありますが、どう考えても設計の角度から多くの作業を行うことができます。薄すぎず、強度が十分ですが、途中で短絡するという共通の問題があるため、内部の短絡を防ぐ必要があり、短絡を研究する必要があります。短絡実験は比較的複雑で、成熟した規範がないため、新しい方法を発明しました。それは、バッテリーに記憶合金を埋め込み、一定の温度まで加熱し、記憶合金を急激に鋭くして、熱暴走を誘発することです。 文献と当社独自の調査によると、重要な内部短絡には 4 つのタイプがあります。

いくつかの短絡はすぐに熱暴走につながる可能性がありますが、いくつかの短絡はゆっくりと進化し、いくつかの短絡は危険ではないかもしれませんが、いくつかの短絡は非常に危険になります。また、いくつかの短絡は常にゆっくりと進化し、内部短絡には減速から突然変異まで、さまざまなタイプがあります。 この目的のために、いくつかのシミュレーション分析も実施しましたが、ここでは詳細には触れません。 つまり、進化型における短絡の進化は電圧降下であり、電圧を降下させる最初のプロセスが重要であることが最終的に判明しました。

後半では温度が上昇し、最終的には制御不能な熱が発生します。 したがって、この遅延については、最初のプロセス、つまり電圧低下の段階でこれを検出してトラブルシューティングし、それを拾い上げて、さらに劣化するのを防ぐ必要があります。これが、内部短絡検出アルゴリズムです。これは、直列バッテリー パック用のアルゴリズムで、最初に電圧の一貫性を分析し、バッテリー電圧が低下している場合は、このバッテリーに内部短絡が発生している可能性があることを示します。 しかし、確認できない場合は温度を追加しましょう。

進化後に変化した場合は、可燃性ガスセンサーを追加しますので、スローと突然変異する方法があります。 たとえば、直列バッテリーパックの電圧の一貫性の識別については、具体的なアルゴリズムは紹介しません。 電圧が低下しているバッテリーがはっきりとわかります。

もちろん、一連のエンジニアリング手法を実行する必要があり、単純なアルゴリズムだけでは不十分です。 判断するためには多くのプロジェクトの関連経験も必要ですが、これがデータベースであるため、私たちはその会社と協力することを選択します。 つまり、この領域から、マイクロショートなどの警告をよく聞くことができます。急速充電のため、バッテリーは充電と放電の間に変形するため、歪みが生じ、マイクロショートの突然の劣化を引き起こします。人間の血管のように、内部のプラーク、突然血栓が圧迫され、電圧と温度を使用すると、遅すぎて見えず、見えるときにはすでに熱くなっています。

どうすればいいでしょうか？少なくとも 3 分前に熱制御不能警告を実行できるこのガス センサーを使用する必要があります。 つまり、私たちはこれらのアルゴリズムに基づいて新世代のバッテリー管理システムを開発しています。 2 番目の部分は、先ほど述べた 2 番目のメカニズムです。短絡のみですか? 内部短絡がなくても熱損失はありますか? 実際、熱が制御不能になるような内部短絡はありません。

隔膜が絶えず増加するにつれて、正極三員環材料のニッケル含有量は絶えず増加し、その放出温度は絶えず低下します。つまり、正極材料の熱安定性は悪化しますが、当社の隔膜はますます良くなるため、弱いリンクはゆっくりと正極材料になります。 これは私たちが行った実験です。ショートはなく、熱が制御不能になっています。電解質を取り除くと、熱が制御不能になっています。真ん中から見れば、熱のないスパイクがあります。これは正極と負極が一体になっており、完全に完成しています。正極と負極の粉末が一体になっていると、劇的な放出ピークがあり、これが彼がトリガーした理由です。 具体的には、ホットピークはどこにありますか? 正極材料の相変化、自由酸素。

オランダのピークを見てください。プラスとマイナスが結合すると、負極が酸化されます。 ピークがない場合は閉じており、正極異方性と負極反応から熱が発生したことを証明します。 では、このメカニズムとは何でしょうか? それは正極と負極の物質交換であり、正極の酸素が負極に劇的な反応を形成し、制御不能な熱を引き起こします。

内部短絡による熱制御不能に関しては、すべての副作用、つまりすべての副作用に応じたモデルを構築することができます。 この方法では、DSC のマルチレートスキャンを通じて、すべての副反応の反応定数を計算することができます。もちろん、特定の方法を通じて、最終的にエネルギー保存、品質保存と組み合わせて、熱制御不能の完全なプロセスを計算することができ、実験にうまく適合することができます。 このように、関連する経験からモデルベースの設計を開発することができます。もちろん、多くのデータベースがあり、データベースがないわけではありません。これは、さまざまな材料の反応と熱の関係の反応です。

データベースに基づいて、もちろん材料を改良する必要がありますが、重要な改良点は 2 つあると思います。1 つは正極材料の改良、もう 1 つは電解質の改良です。 まず、酸素の温度を多結晶から単結晶まで上昇させると、熱暴走の特性が変化することがわかります。 例えば、高濃度の電解質を使用するのも一つの方法です。

もちろん、誰でもより多くの固体電解質を探索することができます。 固体電解質は非常に複雑です。 濃縮液自体に優れた特徴があると考えております。

例えば、熱重量が減り、発熱量も減りました。 この中間から、正極は電解液と反応していないことがわかります。これは、当社の新しい電解品質は DMC であるため、DMC は 100 度で蒸発しているからです。 これは、電解質の次のステップは単なる固体電解質ではなく、電解質の添加剤、高濃度電解質、そして新しい電解質が可能になるものだと私たちが信じていることです。

パートIII、リチウムと充電制御について。 リチウムイオン電池のことを言えば皆さんも分かると思います。 バッテリーが劣化した後、全ライフサイクルの安全性はどうなるのでしょうか? 全ライフサイクルの安全性の途中で最も重要な要素はリチウムの分析であることがわかっています。リチウムの減少状態がなければバッテリーの安全性は低下しません。劣化する唯一の理由はリチウムの分析です。

低温急速充電、低温急速充電、T2 の温度が徐々に低下し、熱損失が先に発生したなどの一連の証拠を見つけることができます。これはバッテリー容量の減衰であり、100% から 80% です。 明らかに、低温充電から新しいバッテリーから古いバッテリーに石器的に対応しています。 もう一つは急速充電です。

急速充電後、T2の温度低下が100度まで低下していることがわかります。 新しいバッテリーの初期状態から 200 度から 100 度を超えるまで、熱損失がより早く、より速く発生しました。 この理由は何でしょうか？これもリチウムリチウムです。リチウムが多く、リチウムが著しく少ないことがわかります。

リチウムの分析では発熱量が大きいため、リチウムが沈殿すると電解液と直接反応し、大量の温度上昇を引き起こし、直接的に熱損失を引き起こす可能性があります。 したがって、私たちはリチウムを研究しなければなりません。私たちの研究における短絡と同じように、リチウム研究をどのように研究するのでしょうか。まず、リチウムのプロセスを見てみましょう。 これは充電中です。充電が終わり、リチウムが充電され始めているのがわかります。後ろに大きな部分がありますが、これはリチウムのプロセスです。

先ほどの実験は赤い線から見ることができます。これは活性化リチウム、可逆リチウムです。 一部が死んでもリチウムは可逆性があり、再び埋め込まれ、負極は過電位になり、過剰段階の過電気が0に増加し、リチウムに可逆することができます。 もちろん、死んだリチウムは回収できません。

これによりプロンプトが表示されます。 リチウムの量を検出するために可逆リチウムのプロセスを通過できますか。たとえば、このプロセスを戻すと、このプロセスは電圧のプラットフォームに対応し、シミュレーションを行ってこのプラットフォームを見つけました。 電圧が非常に低い場合、現象は発生しません。これは正常な電圧で分極するためであり、このプラットフォームには該当しません。

したがって、このプラットフォームは良好な信号であり、プラットフォームの端は微分化によって決定できます。これは、プラットフォームの端であり、リチウムの量を表し、リチウムの総量と関係があり、式を予測できます。 また、実験により、これが充電と待機のプロセスであることもわかりました。 真ん中からリチウムが見えているのもわかりますが、これが実験の結果です。

このように、充電後にそれを見つけることができますが、これは充電後の結果であり、充電プロセス中にリチウムを放出しないようにすることはできますか? リチウムを可能な限り処理する能力は、もちろん、私たちのモデルを支援することを必要とします。 これは私たちが作成した簡略化された P2D モデルです。負極の電位を確認できます。負極の電位とリチウムリチウムについて言えば、負極の過電位を制御している限り、リチウムを保証できます。 このモデルを通じて、リチウム充電曲線を導き出すことができます。負極電位がゼロ未満にならないようにすると、リチウムリチウムの最適な充電曲線が得られます。

この曲線を較正するために 3 つの電極を使用できます。これが充電アルゴリズムです。 我々は会社と協力して、このアルゴリズムを使用することでリチウムを完全に実現できることがはっきりとわかりましたが、これはキャリブレーションプロセスであり、時間の経過とともにバッテリーの減衰性能が変化するため、フィードバックを行う必要があります。そのため、リチウムの制御アルゴリズムにフィードバックを与えました。つまり、負極の過電圧を観察するオブザーバーがあり、これが負極の過電圧の観察オーバーオティックです。これがオブザーバーであり、実際には数学モデルです。 これは当社のSOCと非常によく似ており、オブザーバーアルゴリズムがあり、電圧のフィードバックがあるため、リチウム充電のリアルタイム制御を実行でき、また同社とも協力しています。

このプロセスで、まだいくつか残念な点があります。負の電力にセンサーを直接使用できるかどうかです。したがって、この過電位センサーを開発するために、さらなる研究が必要です。 前述の従来の 3 つの電極については誰もが理解しています。 寿命が限られており、センサーとして使用する方法がないため、最近は化学システムとの連携を進めています。

化学部門の張強チームは、この分野で非常に関連経験と画期的な成果を上げたチームであるため、私たちのテスト寿命は 5 か月以上になる可能性があり、5 か月以上使用する必要があります。なぜなら、実際のアプリケーションは急速充電のみであり、常に使用されるわけではなく、5 か月で十分だからです。 次に、私たちの研究は、負のオーバーテスト電力センサーのフィードバック充電制御に基づいています。 4 つ目の部分、熱制御不能は、私たちが前線で取り組まなければ、熱制御不能が拡大し、それを抑制する方法です。

この機械的な損傷がバッテリーを直接突き刺したり押し出したりして、すぐに燃焼爆発が発生し、それが拡散のプロセスであり、これが私たちの拡散の拡散であることは誰もが理解しています。 1 つ目は温度場のテストです。 これが当社の並列バッテリーパックの普及プロセスです。

プロセスが広がるメカニズムは以上です。 なぜセクションのセクションであるかというと、最初のバッテリーが熱安定性を持つ場合、ショートするとすべての電気がここに来るため、電圧が低下しますが、一度壊れると元に戻ります。これが並列熱損失の特徴です。 これは直列バッテリー グループであり、直列バッテリー グループは純粋に熱伝達プロセスです。

これは別の状況で、最初は注文し、最終的に広がりますが、もちろん、途中で燃焼があるため、熱伝達だけでなく、これはすぐに爆発事故、燃焼事故などにつながります。 これはシステム全体のプロセスであり、PACK 全体の伝播プロセスであり、その通信は規則的で、最初に D2 から U2 へ、D1 はほぼ同時、次に他のもの、これは基本的にもうありません。絶縁があるためです。これは、バッテリー パックにとって依然として非常に重要です。 したがって、私たちの目的はもちろんモデルシミュレーション設計に基づいています。このプロセスは非常に複雑であり、関連する経験だけが非常に難しいため、これが私たちの仕事です。

シミュレーションのパラメータをどのように取るかは誰もが知っているはずです。パラメータを調整できますが、パラメータの数は意味がないので、パラメータについて詳しく研究します。パラメータの取り方は非常に熟練したプロセスであり、ここでは一連の方法について詳しく説明しません。 このモデル校正モデルを使用して設計できます。これが断熱の設計です。 バッテリーが足りないだけ、デザインもカッコいいです。

バッテリーにも断熱材があり、放熱もすべ​​て可能でなければなりません。これは私たちの学生が開発したファイアウォール技術であり、断熱、放熱、遮断、断熱、放熱、熱エネルギーの3つが連携しています。 これはたくさんの実験です。これは、従来のバッテリー パックやファイアウォールを備えたバッテリー パックなど、実際のバッテリー パック全体を対象とした実験です。 ファイアウォール付きのバッテリー パックでは、これが始まったばかりで、煙はかなり大きく、ゆっくりと燃えず、熱が広がることもなく、従来のバッテリー パックでは最終的に熱が広がり、燃焼します。

私たちはこれを通過できる、本当に実現できる。 これはこの仕事に関してですが、私たちは一連の国際規制にも参加しています。 今では、この噴火のプロセスをさらに実行しましたが、より複雑になっています。現在、シミュレーションには何も追加していないので、噴火モデルはもちろん正確ではありませんが。

実験から、固体、液体、気体の 3 つの状態があり、この中間の気体は何らかの可燃性ガスであり、それが燃料であり、固体は何らかの固体粒子であり、しばしば炎を形成することがわかります。 どうやってやるの？ 1つは、従来の自動車と同じように、粒子状物質をフィルターを通して捕捉し、粒子状物質を集めることです。 もう一つは、希釈して可燃性ガスをその燃焼範囲外に放出することです。これが現在私たちが行っていることです。

最後にまとめをします。 熱制御不能が発生するプロセスは 3 つあります。 誘導では、誘導にはさまざまな理由があり、私はたくさん言いました、もちろん、私たちの衝突マシンの別の部分があります、私は言っていません、今私たちはこれらのものの前にいます、これらのものはまだ規制されていません、私たちは後だと感じています。

第二に、熱が制御不能です。 3 つの温度について言及しましたが、その理由を 3 つここに示します。 バッテリー内部で噴火・火災が発生しています。

電解質の状態、電解質の沸点によって決まることが重要です。 最終的に、それは広がり、広がり、火災のように突然広がり、柔軟な火災に噴火し、最終的に重度の火傷につながるため、ここで示したすべての問題を解決することができます。 .