锂电池中的铝热反应与铝镍反应

来自于实践中的问题总是最鲜活生动的。

七月初一位参加热失控仿真讲座的研究者提出了一个问题：锂电池热失控试验中发现铝箔和铜箔都发生了融化，试验中虽然电池内部温度会高于铝的熔点，但是测温低于铜的熔点。问题：铜为何融化？

可能的解释

关于这个问题，一个可能的解释是：由于热失控剧烈反应区的空间温度梯度较大，所以热电耦未必能测到最高温度。但是局部最高温度有可能会超过铜的熔点。该解释存在相当程度的合理性。但是我们或许也可以稍微把视线抬高一点：会不会存在其他反应过程？

铝镍铜反应

在高镍锂电池热失控文献检索中，当使用DSC（差示扫描量热）和Ni等作为关键词，通常命中率是比较高的。但是下面这篇比较独特：

Enhancement of energy release performanceof Al–Ni composites by adding CuO（使用氧化铜增强铝镍复合材料的能量释放）。它介绍了CuO对Al-Ni ESM高能结构材料的性能增强。ESM是一种军用的含能材料。

文章的结论是：Al 可以在高温下与Ni 发生反应，最终形成某些金属间化合物。Al-Ni 体系的反应起始温度约为 913 K。当然具体的反应温度取决于粒径、界面和外部条件。Al 和 Ni 之间的金属间化合物形成反应的活化能为 160 kJ/mol。对于 Al-CuO 铝热剂，铝热剂反应分为 Al-CuO(I) 和 Al-CuO (II) 阶段，活化能分别为 80 和 260 kJ/mol。

铜箔多高温度会被氧化？工业实践表明，铜的氧化在室温下就会发生，但是高于290℃以后就会直接产生CuO。所以在铝融化前热失控高温产生的铜氧化物会为Al-CuO反应做好准备。

所以铜融化问题的另外一个可能的答案就是：铝镍会发生反应，氧化铜与铝会发生铝热反应。

丰田观点

丰田中央研发实验室2017年的研究表明NCA电池中存在铝热反应放热峰，并且明确给出上述反应式。

小结

NCA锂电池存在铝热反应，NCM锂电池从反应条件来说存在铝镍铜反应的可能性。因此可能存在的铝热/铝镍铜反应或许是锂电池热失控中需要关注的一个方面。

本文主要内容参考以下文献：

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

审核编辑 ：李倩