鋰電網訊：本文對比研究了寧德時代采用NMC811和LFP為正極材料的鋰電池失控傳播過程，主要結論如下：
1、熱失控傳播特性： NMC811電池在熱失控時的最高溫度（899°C）顯著高于LFP鋰電池（524°C），并且NMC811鋰電池的熱失控傳播速度是LFP電池的5倍。這表明NMC811鋰電池需要額外的安全措施，如電池間間隔和熱屏障，以滿足安全標準。
2.氣體釋放：NMC811電池在熱失控時釋放的氣體體積、氣體流量和氣體溫度都高于LFP電池。這要求在NMC811電池模塊中使用通風通道或高溫耐受的灌封材料，以隔離通風氣體，避免增加熱輸入、磨損和電弧風險。
3.電池損失：NMC811模塊的破壞程度、材料噴射和側壁破裂的風險高于LFP模塊。因此，建議使用結構加固的灌封材料或耐高溫材料（如鋼制電池殼）來維持NMC811電池的機械完整性和暢通的通風氣體排放。
由于其較高的鎳含量，NMC811電池具有較高的能量密度。如圖1所示，與LFP相比，NMC811電池重量和體積能量密度分別高出32%和37%。而安全性方面，LFP電池表現出色，不易發生過熱、燃燒等危險情況，這得益于其正極材料的穩定性和抗熱性能。為了對比兩者的熱失控傳播過程，選擇寧德時代的NMC811和LFP電池做研究，電池具體信息如表1所示：213Wh/kg、549Wh/L、96Ah的NMC811電池和164Wh/kg、373Wh/L、160Ah的LFP電池。
圖1 NMC和LFP電池能量密度對比
如圖2所示，將5個電池組裝成一個小模塊，在電池模塊一側安裝加熱板，對其中一個電池進行加熱觸發熱失控，加熱功率6.2W/cm2。在電池之間、電池表面和安全閥附近布置熱電偶監測溫度，最終的實驗裝置如圖3所示，同時熱失控過程中采用攝像機攝影。
圖2 電池小模塊示意圖
圖3 電池熱失控實驗裝置
圖4是電池熱失控傳播的測量數據，主要包括溫度和電壓，藍色/綠色表示電池間的內部溫度，灰色表示模塊的表面溫度。設定加熱板加熱階段的開始時間t0=0s。熱失控傳播起點定義為加熱結束且溫度突然增加的點。NMC811模塊在表面溫度為 371.6°C 時達到了這一點。而LFP電池的熱失控發生時間要晚得多，溫度為 436.6°C。因于單側加熱，該過程在電池中產生溫度梯度，NMC811電池模塊正面溫度為 371.6°C，背面溫度為 33.9°C，電池內部熱量產生和耗散之間的能量失去平衡，開始發生熱失控。LFP 電池在電池模塊正面溫度為 436.6°C、背面溫度為 41.6°C 時進入熱失控。NMC811電池的平均最高溫度為899.3℃，明顯高于LFP電池的524.4℃。
圖4 熱失控傳播的測量數據：藍色/綠色是電池間溫度，灰色是表面溫度，(a) NMC811，(c) LFP。電池電壓：(b) NMC811，(d) LFP。
如圖5所示，電池模塊中一個電池（如圖5中的電池2）熱失控可以分為3個階段：階段1，由熱失控的相鄰電池1引起的加熱階段；第 2 階段，在電池2的第一個卷芯中觸發熱失控。；第 3 階段：電池內部熱失控傳播到電池 2 中的第二個卷芯。
圖5 電池2熱失控三個階段
電池熱失控具體開始時間通過以下兩點判定：（1）電池電壓開始下降，即電壓變化為負值；（2）電池表面上的任何溫度傳感器溫升速率大于10K/s。根據圖4所示的數據和圖5所示的傳播機理，電池之間的熱失控時間跨度可以進一步細分為熱失控反應時間ΔtTR和暫停時間ΔtP,TR，在暫停期間主要發生向相鄰電池的熱傳遞過程。對于熱成像儀和影片數據，根據可見的安全閥泄氣的時間跨度評估熱失控時間。
圖6 顯示了兩種電池的熱失控之間的時間跨度及其組成。對于LFP電池，熱失控之間的時間跨度分散在460秒的平均值附近，熱失控反應時間分布在254.2s平均值附近。而對于NMC811電池，熱失控之間的時間跨度呈指數增加，NMC811電池的熱失控反應時間分布在17.4s平均值附近。
圖6 熱失控時間
對熱失控的電池進行分析，NMC811電池的質量損失為39.6-48.7%，這導致機械完整性和電池之間的夾緊力降低，從而導致更高的熱接觸電阻和更慢的熱傳播。相反，LFP電池保持了機械完整性，質量損失明顯較小，為 20.9-21.6%。
測試后的NMC-811電池模塊圖像中，可以看到電池殼體的明顯變形和電池蓋的破壞，再加上 45.8% 的材料噴射，導致機械完整性喪失。雖然最初的排氣是通過安全閥發生的，但由于溫度高于鋁電池殼體熔點，電池也會發生側壁破裂。而LFP電池僅通過安全閥釋放氣體，并且沒有明顯的側壁破裂。
圖7 測試后電池
更詳細內容請閱讀參考文獻：Sch?berl, J., Ank, M., Schreiber, M., Wassiliadis, N., & Lienkamp, M. (2024). Thermal runaway propagation in automotive lithium-ion batteries with NMC-811 and LFP cathodes: Safety requirements and impact on system integration. eTransportation, 19, 100305. https://doi.org/10.14459/2023mp1717758
