锂电池中的铝热反应与铝镍反应

描述

来自于实践中的问题总是最鲜活生动的。

七月初一位参加热失控仿真讲座的研究者提出了一个问题:锂电池热失控试验中发现铝箔和铜箔都发生了融化,试验中虽然电池内部温度会高于铝的熔点,但是测温低于铜的熔点。问题:铜为何融化?

可能的解释

关于这个问题,一个可能的解释是:由于热失控剧烈反应区的空间温度梯度较大,所以热电耦未必能测到最高温度。但是局部最高温度有可能会超过铜的熔点。该解释存在相当程度的合理性。但是我们或许也可以稍微把视线抬高一点:会不会存在其他反应过程?

铝镍铜反应

在高镍锂电池热失控文献检索中,当使用DSC(差示扫描量热)和Ni等作为关键词,通常命中率是比较高的。但是下面这篇比较独特:

Enhancement of energy release performanceof Al–Ni composites by adding CuO(使用氧化铜增强铝镍复合材料的能量释放)。它介绍了CuO对Al-Ni ESM高能结构材料的性能增强。ESM是一种军用的含能材料。

热电耦

文章的结论是:Al 可以在高温下与Ni 发生反应,最终形成某些金属间化合物。Al-Ni 体系的反应起始温度约为 913 K。当然具体的反应温度取决于粒径、界面和外部条件。Al 和 Ni 之间的金属间化合物形成反应的活化能为 160 kJ/mol。对于 Al-CuO 铝热剂,铝热剂反应分为 Al-CuO(I) 和 Al-CuO (II) 阶段,活化能分别为 80 和 260 kJ/mol。

热电耦

铜箔多高温度会被氧化?工业实践表明,铜的氧化在室温下就会发生,但是高于290℃以后就会直接产生CuO。所以在铝融化前热失控高温产生的铜氧化物会为Al-CuO反应做好准备。

所以铜融化问题的另外一个可能的答案就是:铝镍会发生反应,氧化铜与铝会发生铝热反应。

丰田观点

热电耦

丰田中央研发实验室2017年的研究表明NCA电池中存在铝热反应放热峰,并且明确给出上述反应式。

小结

NCA锂电池存在铝热反应,NCM锂电池从反应条件来说存在铝镍铜反应的可能性。因此可能存在的铝热/铝镍铜反应或许是锂电池热失控中需要关注的一个方面。

本文主要内容参考以下文献:

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 Applied Material & Interfaces2017, 9, 1507−1515,Are All-Solid-StateLithium-Ion Batteries Really Safe?−Verification by DifferentialScanning Calorimetry with an All-Inclusive Microcell

审核编辑 :李倩

 

打开APP阅读更多精彩内容
声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉

全部0条评论

快来发表一下你的评论吧 !

×
20
完善资料,
赚取积分