万龙精益导控电池超声波检测系统助力华中科技大学曹元成团队锂电池安全领域新突破

【成果简介】围绕国家能源安全重大需求，以保障锂离子电池储能系统安全运行为目标，在国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目支持下，华中科技大学曹元成（通讯作者）团队联合清华大学韩雪冰、暨南大学吴伟雄（共同通讯作者）等，开展了磷酸铁锂电池单体及模组在热滥用模式下的实验研究，以探究不同预紧力下，电池热失控过程中，“力-电-热”等三个维度物理信号的演变规律。定义了热滥用过程中的五个阶段，揭示了膨胀力、电压和温度之间的时序关系，并发现磷酸铁锂电池失效演化过程中，膨胀力信号表现出3个特征峰，分别对应于电池喷阀，内短路和热失控。在电池温度仅42.4 °C的时候就可以检测到异常膨胀力信号，而后在大约 6.5 分钟后电池才热失控，表明膨胀力可以作为早期安全预警的有效信号。此外，减小预紧力可以延长电池热失控的预警时间，提高膨胀力预警方法的有效性。将预紧力从 6000 N 减少到 1000 N，热失控的预警时间由 227 s延长到 398 s。基于上述结果，我们提出了一种基于膨胀力的主动安全预警方法，成功地在电池热失控之前约375秒实现早期安全预警，并通过模块验证有效防止热蔓延。该研究为制定及时、准确的预警策略提供了实际参考，并为更安全的电池系统的设计提供了指导。

相关研究成果以 “Effect of preload forces on multidimensional signal dynamic behaviours for battery early safety warning” 为题发表在Journal of energy chemistry上，原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jechem.2023.12.045

分阶段超声扫查以探究膨胀力来源

图3(a-1)、(b-1)和(c-1)描绘了实验前的基准超声扫查图像。同时，图3(a-2)、(b-2)和(c-2)显示了膨胀力异常时电池的超声扫查图像。从图3（a-3）、（b-3）和（c-3）可以看出，电池冷却后，在2000 N的预紧力下，电池内部可能残留微量电解液。电池在 4000 和 6000 N 预紧力下的超声波扫查图像主要显示蓝色和白色，因此表明在这两种情况下电池充满了气体。分析认为主要是：电池受热后不断膨胀，电解质蒸发和气体产生的副反应是导致膨胀力增加的主要原因。

图3. 超声波扫描图像。(a) 6000N，(b)4000N，(c)2000N；(-1) 加热前，(-2) 加热直至 dF/dt = 5 N/s，(-3) 冷却后。