臺灣博碩士論文加值系統

擁有高能量密度、體積小、低汙染及高循環壽命的鋰離子電池是目前廣為使用的替代能源之一，隨著科技進步及便利，設備所需的能量及容量也漸漸變大，目前已串並聯鋰離子電池來提高電能設備的需求。然而鋰離子電池熱失控火災爆炸案例仍頻繁，在安全部分有待解決。本實驗採用自製密閉加熱儀器進行電池串聯與並聯狀況之下熱危害評估，採用5種市售鋰離子電池分別為Sony、Samsung、Panasonic、Hmeng、A123分別進行測試。擁有大容量Hmeng 3500 mAh電池實驗測得Tmax可達1164 ℃、Tonset:138.8 ℃，將其並聯擴大2倍電容量至7000 mAh下 Tmax為1136.9 ℃，與單顆比較並沒有明顯的變化，但串聯會導致Tonset提早發生約2-4 ℃。A123電池為較穩定正極材料LiFePO4，測出實驗結果熱危害與串並聯電性變化並沒有相關性。實驗熱失控爆炸有兩種不同的現象出現，第一:串聯時，兩顆電池失控時間有時序性，當第一顆電池爆炸時會小幅度拉高鄰近溫度12-21 ℃，造成第二顆電池溫度快速上升，約35-80秒後，將會誘發第二顆電池失控，此時對鄰近溫度有大幅度提拉約60-130 ℃，但在並聯型態此種情況較串聯低；第二:兩顆電池同時失控，當兩顆電池同時到達臨界點，會在10秒內相繼失控，但溫度並沒有加成且高溫500 ℃維持3分鐘。另外，使用氮氣進行環境惰化測試Panasonic電池串聯時，發現在限氧的狀態下，電池仍會出現燃燒2次，顯示以氮氣惰化抑制鋰離子電池燃燒並無效果。

The lithium-ion battery burning accidents occur from time to time that endangers person property and safety. This study use customized confined heating equipment to carry out five types of commercial 18650 lithium-ion batteries under full-charged state in series and parallel configuration to run through thermal runaway. These lithium-ion batteries are: A123, APR18650, Hmeng IMR18650, Panasonic NCR18650B, Samsung ICR18650 and Sony US18650. The exothermic onset temperatures were measured in the range from 136.1 ˚C to 160.2˚C except A123 APR18650. The Hmeng IMR18650 and A123 APR18650 possessed the lowest and highest exothermic onset temperatures among these batteries, respectively. The maximum self-heat rates were determined in the ranged from 6222.0 Cmin-1 to 35760.0˚Cmin-1.

目錄
致謝 I
摘要 III
Abstract V
第一章 緒論 1
1-1前言 1
1-2 研究背景與動機 3
1-3 研究目的 6
第二章 文獻回顧 8
2-1 鋰離子電池簡介 8
2-2 鋰離子電池之運作原理 9
2-3正極材料選擇及種類 11
2-3-1 LiCoO2 (鈷酸鋰) 14
2-3-2 LiNiO2 (鎳酸鋰) 15
2-3-3 LiMn2O4 (錳酸鋰) 16
2-3-4 LiFePO4 (磷酸鋰鐵) 17
2-3-5 三元系材料 18
2-4 電解液特性及種類 19
2-5 鋰離子電池結構 21
2-6 鋰離子電池燃燒 24
2-7 鋰離子電池現有安全機制及材料 28
2-7-1 外部保護方式 28
2-7-2 內部保護方式-STOBA 31
2-8 鋰離子電池國際安全標準 33
2-9 國內外研究論文 42
第三章、實驗材料與方法 55
3-1 實驗樣品 55
3-2 實驗儀器 56
3-3 實驗步驟 59
3-3-1 串聯、並聯測試實驗 61
3-3-2 惰化環境實驗 64
第四章 結果與討論 65
4-1 空白試驗及初始放熱溫度選定方法 65
4-2 市售18650鋰離子電池串聯、並聯實驗結果 67
4-2-1 Sony串聯、並聯實驗結果 68
4-2-2 Panasonic 串聯、並聯實驗結果 73
4-2-3 Samsung 串聯、並聯實驗結果 77
4-2-4 Hmeng 串、並聯實驗結果 81
4-2-5 A123串、並聯實驗結果 86
4-3 不同特性比較 91
4-3-1 並聯與單顆差異 91
4-3-2 串聯與單顆差異 95
4-3-3 反應特性差異 98
4-4 限氧惰化環境測試 101
第五章 結論與建議 104
5-1 結論 104
5-2 建議 110
參考文獻 111


 
圖目錄
圖2. 1鋰離子電池運作示意圖 10
圖2. 2 LiCoO2 結構圖 (層狀結構) 14
圖2. 3 LiNiO2結構圖(層狀結構) 15
圖2. 4 LiMn2O4(錳酸鋰)結構圖 (尖晶石結構) 16
圖2. 5 LiFePO4 (磷酸鋰鐵)結構圖 (橄欖石結構) 17
圖2. 6 圓筒型電池結構剖面圖 23
圖2. 7 方塊狀電池結構剖面圖 23
圖2. 8 造成鋰離子電池火災爆炸原因 26
圖2. 9利用EV-ARC測量熱失控不同階段的溫度範圍 27
圖2. 10 18650鋰離子電池頂部PTC、CID位置圖 29
圖2. 11 PTC作用原理圖 29
圖2. 12 CID裝設位置 30
圖2. 13 CID作用原理圖 30
圖2. 14 添加STOBA穿刺實驗反應比較圖 32

圖4. 1 空白實驗時間v.s 溫度作圖 66
圖4. 2 空白實驗溫度v.s 升溫速率作圖 66
圖4. 3 Thermocouple位置示意圖 67
圖4. 4 Sony串聯溫度v.s時間 69
圖4. 5 Sony串聯升溫速率v.s 溫度 69
圖4. 6 Sony並聯溫度v.時間 70
圖4. 7 Sony 並聯升溫速率v.s溫度 70
圖4. 8 Sony 串聯、並聯、單顆比較圖 71
圖4. 9 Panasonic 串聯溫度v.s時間 73
圖4. 10 Panasonic串聯升溫速度v.s溫度 74
圖4. 11 Panasonic 並聯溫度v.s時間 74
圖4. 12 Panasonic 並聯升溫速率v.s溫度 75
圖4. 13 Panasonic 串聯、並聯比較圖 75
圖4. 14 Samsung 串聯溫度v.s時間 77
圖4. 15 Panasonic串聯升溫速度v.s溫度 78
圖4. 16 Samsung 並聯溫度v.s時間 78
圖4. 17 Samsung並聯升溫速度v.s溫度 79
圖4. 18 Samsung 串聯、並聯比較圖 79
圖4. 19 Hmeng 串聯溫度v.s時間 82
圖4. 20 Hmeng串聯升溫速度v.s溫度 82
圖4. 21 Hmeng 並聯溫度v.s時間 83
圖4. 22 Hmeng並聯升溫速度v.s溫度 83
圖4. 23 Hmeng 串聯、並聯比較圖 84
圖4. 24 A123串聯溫度v.s時間 87
圖4. 25 A123串聯升溫速度v.s溫度 87
圖4. 26 A123並聯溫度v.s時間 88
圖4. 27 A123串聯升溫速度v.s溫度 88
圖4. 28 A123 串聯、並聯比較圖 89
圖4. 29 A123電池反應結束樣品 89
圖4. 30 各廠牌並聯之不同電容量比較 92
圖4. 31 各廠牌並聯與單顆電池之不同電容量v.s溫度比較 92
圖4. 32各廠牌並聯最高溫度 93
圖4. 33各廠牌並聯初始放熱溫度 93
圖4. 34各廠牌並聯最大升溫速率 94
圖4. 35 各廠牌串聯之不同電壓比較 95
圖4. 36各廠牌串連最高溫度 96
圖4. 37各廠牌串連初始放熱溫度 96
圖4. 38各廠牌串聯最大升溫速率 97
圖4. 39 Panasonic電池串並聯熱失控點放大圖 99
圖4. 40電池失控反應燃燒影像 99
圖4. 41 Sony電池熱失控反應點放大圖 100
圖4. 42兩組惰化實驗燃燒照片 102
圖4. 43電池外殼破裂照片 103

圖5. 1 A123電池失控照片 107
圖5. 2 Sony 電池失控照片 107
圖5. 3 Panasonic 電池失控照片 108
圖5. 4 Samsung 電池失控照片 108
圖5. 5 Hmeng 電池失控照片 109

 
表目錄
表1. 1 國內外鋰離子電池爆炸事件案例 3

表2. 1評估正極材料各項指標與對電池性能影響 11
表2. 2 正極材料特性比較 13
表2. 3 各種電解質特性表 20
表2. 4 鋰電池各項材料占電池材料成本結構 22
表2. 5 國際鋰離子電池安全標準與標準測試程序 36
表2.6 聯合國UN38.3 測試項目 38

表3. 1 電池樣品規格 55
表3. 2 儀器照片 56
表3. 3 實驗照片 61

表4. 1 Sony 實驗數據表 72
表4. 2 Panasonic 實驗數據表 76
表4. 3 Samsung 實驗數據表 80
表4. 4 Hmeng 實驗數據表 85
表4. 5 A123實驗數據表 90
表4. 6 鋰離子電池內容物自燃溫度 103

表5. 1 ARC、VSP2、Confinement Test數據對照表 106

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