鋰電池中的鋁熱反應(yīng)與鋁鎳反應(yīng)

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(fā)現(xiàn)鋁箔和銅箔都發(fā)生了融化，試驗中雖然電池內(nèi)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(guān)于這個問題，一個可能的解釋是：由于熱失控劇烈反應(yīng)區(qū)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(dāng)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(yīng)過程？

鋁鎳銅反應(yīng)

在高鎳鋰電池?zé)崾Э匚墨I(xiàn)檢索中，當(dāng)使用DSC（差示掃描量熱）和Ni等作為關(guān)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(fù)合材料的能量釋放）。它介紹了CuO對Al-Ni ESM高能結(jié)構(gòu)材料的性能增強。ESM是一種軍用的含能材料。

文章的結(jié)論是：Al 可以在高溫下與Ni 發(fā)生反應(yīng)，最終形成某些金屬間化合物。Al-Ni 體系的反應(yīng)起始溫度約為 913 K。當(dāng)然具體的反應(yīng)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(yīng)的活化能為 160 kJ/mol。對于 Al-CuO 鋁熱劑，鋁熱劑反應(yīng)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(yè)實踐表明，銅的氧化在室溫下就會發(fā)生，但是高于290℃以后就會直接產(chǎn)生CuO。所以在鋁融化前熱失控高溫產(chǎn)生的銅氧化物會為Al-CuO反應(yīng)做好準(zhǔn)備。

所以銅融化問題的另外一個可能的答案就是：鋁鎳會發(fā)生反應(yīng)，氧化銅與鋁會發(fā)生鋁熱反應(yīng)。

豐田觀點

豐田中央研發(fā)實驗室2017年的研究表明NCA電池中存在鋁熱反應(yīng)放熱峰，并且明確給出上述反應(yīng)式。

小結(jié)

NCA鋰電池存在鋁熱反應(yīng)，NCM鋰電池從反應(yīng)條件來說存在鋁鎳銅反應(yīng)的可能性。因此可能存在的鋁熱/鋁鎳銅反應(yīng)或許是鋰電池?zé)崾Э刂行枰P(guān)注的一個方面。

本文主要內(nèi)容參考以下文獻(xiàn)：

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