汽車系本科生揭示過放電引發(fā)動(dòng)力電池內(nèi)短路機(jī)理

　　清華新聞網(wǎng)7月30日電（通訊員 高微）7月22日，清華大學(xué)汽車系大三年級(jí)本科生郭銳在《自然》（Nature）子刊《科學(xué)報(bào)告》（Scientific Reports）以第一作者身份發(fā)表論文《鋰離子電池過放電全過程及過放電引發(fā)內(nèi)短路的機(jī)理研究》（Mechanism of the entire overdischarge process and overdischarge-induced internal short circuit in lithium-ion batteries），揭示了過放電引發(fā)動(dòng)力電池內(nèi)短路的機(jī)理。在同期在線刊出的101篇論文中，該論文為6篇期刊網(wǎng)站首頁(yè)論文之一。汽車系歐陽(yáng)明高教授為本文的通訊作者，高級(jí)工程師盧蘭光、博士生馮旭寧為論文的其他作者。

郭銳論文（紅框內(nèi)）登上期刊網(wǎng)站首頁(yè)。

　 　2015年，我國(guó)新能源汽車產(chǎn)銷量出現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。鋰離子動(dòng)力電池是當(dāng)前新能源汽車的主要?jiǎng)恿碓础５牵瑫r(shí)有發(fā)生的鋰離子動(dòng)力電池起火事故，使得其安全問題受到各方廣泛關(guān)注。汽車系歐陽(yáng)明高教授課題組一直致力于研究動(dòng)力電池的安全問題，取得了一系列重要成果，為新能源汽車行業(yè)提供了有效的動(dòng)力電池安全管理技術(shù)方案。

　　郭銳同學(xué)為汽車系2013級(jí)本科生，在學(xué)期間積極投身課外科技學(xué)術(shù)活動(dòng)，曾加入“三角洲”工作室并參加過第十屆全國(guó)大學(xué)生智能車競(jìng)賽。從本科二年級(jí)開始，郭銳同學(xué)加入歐陽(yáng)明高教授課題組，在學(xué)校大學(xué)生研究訓(xùn)練計(jì)劃（SRT）項(xiàng)目支持下，從電化學(xué)基本原理開始學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)和技能，并逐步開展動(dòng)力電池內(nèi)短路問題研究。在文獻(xiàn)調(diào)研過程中，他發(fā)現(xiàn)很多動(dòng)力電池事故均涉及電池內(nèi)短路，而鋰離子動(dòng)力電池獨(dú)有的自引發(fā)內(nèi)短路由于其特征不明顯，發(fā)展時(shí)間長(zhǎng)，造成危害大，為當(dāng)前動(dòng)力電池安全領(lǐng)域的研究難題。

　　為研究鋰離子動(dòng)力電池的自引發(fā)內(nèi)短路機(jī)理，獲得自引發(fā)內(nèi)短路的早期特征，設(shè)計(jì)內(nèi)短路的誘發(fā)實(shí)驗(yàn)具有重要意義。郭銳的SRT項(xiàng)目指導(dǎo)教師盧蘭光介紹說：“課題組曾經(jīng)發(fā)生由于過放電引發(fā)的電池冒煙事故，由此猜測(cè)過放電可能導(dǎo)致內(nèi)短路，而在電池安全管理失效的情況下，這種情況極有可能發(fā)生，但是并未得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)。”

郭銳所在的課題組曾經(jīng)發(fā)生過的過放電導(dǎo)致電池冒煙事故照片。

　　為此，郭銳與課題組博士生一起，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了過放電誘發(fā)內(nèi)短路實(shí)驗(yàn)，以模擬電池安全管理失效情況下，串聯(lián)電池組中某一節(jié)單體電池受到持續(xù)過放電的情況。實(shí)驗(yàn)中郭銳發(fā)現(xiàn)，在過放電放出額外11%的電池容量時(shí)，該款鋰離子動(dòng)力電池出現(xiàn)電壓回升的轉(zhuǎn)折點(diǎn)；而從過放電放出額外12%的電池容量時(shí)開始，電池出現(xiàn)內(nèi)短路現(xiàn)象；在額外放出20%容量時(shí)，發(fā)生嚴(yán)重內(nèi)短路，電池報(bào)廢。

(a) 鋰離子動(dòng)力電池持續(xù)過放電實(shí)驗(yàn)曲線

(b) 內(nèi)短路等效電阻與過放電程度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖為過放電誘發(fā)內(nèi)短路實(shí)驗(yàn)結(jié)果。　

　　經(jīng)過電池拆解與材料特性分析發(fā)現(xiàn)，持續(xù)的過放電過程導(dǎo)致電池負(fù)極電位不斷升高，當(dāng)負(fù)極電位達(dá)到銅箔集流體溶解電位時(shí)，發(fā)生銅箔溶解的電化學(xué)反應(yīng)。溶解的銅離子穿過隔膜到達(dá)電池正極，在低電勢(shì)區(qū)還原為金屬銅。逐漸沉積的金屬銅從正極方向生長(zhǎng)、擠入并最終穿過隔膜，引發(fā)電池的內(nèi)部短路。研究結(jié)果為獲得自引發(fā)內(nèi)短路的早期特征提供了重要實(shí)驗(yàn)依據(jù)。論文投稿后，審稿人給予了高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為“本文所做的工作是非常基礎(chǔ)的，而且對(duì)于幫助人們理解鋰離子電池在過放電情況下出現(xiàn)內(nèi)短路的機(jī)理具有重要的意義”。（This work is very fundamental but also very important for understanding the internal short-circuit mechanism of lithium-ion batteries at overdischarge.）

(a) 電池極片拆解圖片 

(b) 過放電誘發(fā)內(nèi)短路機(jī)理解釋

圖為過放電誘發(fā)內(nèi)短路的機(jī)理分析與解釋。

　　由于在學(xué)術(shù)研究方面的出色表現(xiàn)，經(jīng)過課題組推薦，郭銳獲得清華大學(xué)“闖世界”計(jì)劃支持，今年暑期前往英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)機(jī)械系格力高利·歐福爾（Gregory J. Offer）教授課題組，就高比能量鋰離子動(dòng)力電池?zé)岚踩芾砼c耐久性演化開展學(xué)術(shù)研修。未來，郭銳將在清華大學(xué)本科生學(xué)術(shù)研究推進(jìn)計(jì)劃支持下，繼續(xù)深入研究動(dòng)力電池的安全性問題。

郭銳在帝國(guó)理工大學(xué)機(jī)械系實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行暑期研修。

　　論文鏈接：

　　http://www.nature.com/articles/srep30248

供稿：汽車工程系 編輯：襄樺