來自于實踐中的問題總是最鮮活生動的。
七月初一位參加熱失控仿真講座的研究者提出了一個問題:鋰電池熱失控試驗中發現鋁箔和銅箔都發生了融化,試驗中雖然電池內部溫度會高于鋁的熔點,但是測溫低于銅的熔點。問題:銅為何融化?
可能的解釋
關于這個問題,一個可能的解釋是:由于熱失控劇烈反應區的空間溫度梯度較大,所以熱電耦未必能測到最高溫度。但是局部最高溫度有可能會超過銅的熔點。該解釋存在相當程度的合理性。但是我們或許也可以稍微把視線抬高一點:會不會存在其他反應過程?
鋁鎳銅反應
在高鎳鋰電池熱失控文獻檢索中,當使用DSC(差示掃描量熱)和Ni等作為關鍵詞,通常命中率是比較高的。但是下面這篇比較獨特:
Enhancement of energy release performanceof Al–Ni composites by adding CuO(使用氧化銅增強鋁鎳復合材料的能量釋放)。它介紹了CuO對Al-Ni ESM高能結構材料的性能增強。ESM是一種軍用的含能材料。
文章的結論是:Al 可以在高溫下與Ni 發生反應,最終形成某些金屬間化合物。Al-Ni 體系的反應起始溫度約為 913 K。當然具體的反應溫度取決于粒徑、界面和外部條件。Al 和 Ni 之間的金屬間化合物形成反應的活化能為 160 kJ/mol。對于 Al-CuO 鋁熱劑,鋁熱劑反應分為 Al-CuO(I) 和 Al-CuO (II) 階段,活化能分別為 80 和 260 kJ/mol。
銅箔多高溫度會被氧化?工業實踐表明,銅的氧化在室溫下就會發生,但是高于290℃以后就會直接產生CuO。所以在鋁融化前熱失控高溫產生的銅氧化物會為Al-CuO反應做好準備。
所以銅融化問題的另外一個可能的答案就是:鋁鎳會發生反應,氧化銅與鋁會發生鋁熱反應。
豐田觀點
豐田中央研發實驗室2017年的研究表明NCA電池中存在鋁熱反應放熱峰,并且明確給出上述反應式。
小結
NCA鋰電池存在鋁熱反應,NCM鋰電池從反應條件來說存在鋁鎳銅反應的可能性。因此可能存在的鋁熱/鋁鎳銅反應或許是鋰電池熱失控中需要關注的一個方面。
本文主要內容參考以下文獻:
Caimin Huang etc,Journal ofAlloys and Compounds,Volume 835,15September 2020,Enhancement of energy release performanceof Al–Ni composites by adding CuO
Takao Inoue etc,ACS AppliedMaterial & Interfaces2017, 9, 1507?1515,Are All-Solid-StateLithium-Ion Batteries Really Safe??Verification by DifferentialScanning Calorimetry with an All-Inclusive Microcell
審核編輯 :李倩
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原文標題:不可思議:鋰電池中的鋁熱反應與鋁鎳反應
文章出處:【微信號:SinoEngineer,微信公眾號:中潤漢泰】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。
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