上图:宝马i3电动汽车的锂离子电池组。摄影:Rudolf Simon
CEC研究人员敦促在低温下操作锂离子电池时要谨慎
随着2021年全球电动汽车销量增长80%，驾驶电池动力汽车的消费者将比以往任何时候都多。虽然这一趋势对减少我们对化石燃料的依赖是积极的，但南卡罗来纳大学工程与计算学院的研究人员发现，在不同的温度下使用和储存电动汽车电池可能会带来悲惨的后果。bob官方体育登陆
化学工程教授保罗Coman，威廉Mustain而且拉尔夫白以及前博士生Ben Ng发现，锂离子电池在低温充放电后，会释放含氟化合物和挥发性有机物等有毒气体。事实上，在将电池恢复到室温后，它仍然是一个安全问题，甚至会导致潜在的灾难性事件，如火灾或爆炸。该研究小组最近在《科学》杂志上发表了他们的发现文章发表在应用能源材料．
研究团队知道锂电镀更有可能在低温下发生，所以想要研究电池在这些条件下的表现。电镀是金属锂在电极上形成的过程，可能会导致短路。在健康的电池中，锂离子在负极和正极之间运输，但在低温下，碳电极表面的锂离子可以镀入碳中。这就形成了锂金属沉积物，它可以像树枝一样生长，并在多个地方造成短路。
据吴恩达说，他现在就职于洛兹敦(俄亥俄州)汽车公司作为电池技术测试和建模的首席工程师，锂离子电池的研究让人想起了一项古老的技术。
“与二硫化钛电池一样，锂离子电池在极端条件下运行时也容易发生相同的锂电镀和剥离事件，这是有其自身原因的安全问题。金属锂是如果它遇到几乎任何其他材料，比如电极，就会发生高度反应。它会自发反应，导致电池退化或着火。”
以前的期刊文章指出，低温电镀可能导致爆炸。CEC研究小组在低温下循环一个电池，然后在室温下连续充电和放电。虽然电池没有爆炸，但它会释放有毒和易燃气体，这使得研究人员能够拆卸和分析内部电池组件。
“在大型实验室条件下测试一个电池，然后在受控的热室中进行测试，更容易容纳和分析。但我们在想，如果有人在低温下长时间操作电动汽车或无人机，然后在低温循环后在室温下存储或充电，会发生什么情况呢?”Coman说。“一辆电动汽车的座椅下、后备箱或车底有数千块电池，还有一氧化碳等气体，大量使用会致命。分享是很重要的，因为有些情况下，有人可能没有意识到正在发生什么。”
锂离子电池在-29摄氏度下进行了几次充放电。锂离子电池循环后，吴恩达将电池拆开，取出电极。这些电池被组装在果冻辊结构中，这是典型的圆柱形电池，几乎存在于所有应用中，包括电动汽车。他分析了气体，并确定了电镀发生的阳极和阴极表面的元素。
“我们的研究试图做到这一点弄清楚当金属锂沉积在碳电极表面时会发生什么。锂金属在电解液的存在下腐蚀，形成分解产物，”Ng说。“我们还发现了反应性气体，如分解反应中的乙烯和一些额外的p磷和氟化合物。有内在的在低温下，随着气体的产生，电池内部的压力会逐渐增加，这可能会导致严重的安全问题。”
吴恩达补充说，压力增大，电极被挤压在一起。“如果两个电极相互接触，就会有电流直接通过，产生大量热量。高温会点燃可燃气体，从而导致c灾难性事件，”Ng说。
科曼解释说，由于电极盘绕在电池中，电池在循环、充电和放电时可以移动、膨胀和收缩。“结果，它产生了波纹式变形。我们发现电极上有不同的电荷状态和波状结构，”科曼说。
在低温下可能会发生几种情况，比如电解质凝固，阻碍锂离子的运动，并迅速增加电池的内阻。在低温下，化学反应的速率也会受到阻碍，这可能会导致不必要的副反应和分解产物。
由于他目前从事电池和电动汽车的研究，吴恩达已经在CEC实施了他之前的一些研究，用电池管理系统减轻有害过程，以帮助防止灾难性的火灾或爆炸。这包括当达到最大值时切断或切断电流到避免在低温下充电。CEC研究团队希望他们的发现能够在未来几年提高数百万人驾驶电动汽车的安全性。