H.E.L鋰電池的電氣濫用研究— BTC-130標準電池絕熱量熱儀的應用

前言

鋰離子電池電氣濫用研究是電池安全領域的一個重要課題，特別是在電動汽車和大規模儲能系統中。電氣濫用主要包括過充（Overcharge, OC）和過放（Overdischarge, OD），這些情況在實際應用中經常發生，對電池的安全性和壽命有顯著影響：

過充影響：過充會導致鋰離子在負極表面沉積，形成金屬鋰。這些金屬鋰具有較高的反應性，容易與電解液發生反應，釋放大量熱量，降低電池的熱穩定性。

過放影響：過放會導致銅集流體溶解，銅離子遷移到正極并沉積，形成銅枝晶。這些銅枝晶可能會穿透隔膜，引發內部短路，導致熱失控。

氣體生成：電濫用可能導致電池內部生成大量氣體，增加電池內部壓力，可能導致電池膨脹甚至破裂。

容量退化：輕微電濫用會逐漸降低電池的容量。過充和過放都會導致電池內部的活性材料損失，減少電池的可用容量。

內阻增加：電濫用會導致電池內部的電極結構變化，增加電池的內阻。內阻增加會降低電池的充放電效率，導致電池在高電流充放電時的電壓降增大。

電壓特性變化：電濫用會改變電池的電壓特性，導致電池在充放電過程中的電壓平臺發生變化。這會影響電池的充放電管理策略，降低電池的使用效率。

電濫用對鋰離子電池的影響是多方面的，涉及安全、性能、壽命和成本等多個方面。通過實驗和分析，可以深入理解電濫用對電池的影響機制，為電池的安全管理和設計提供重要的指導。

案例：揭示輕微電濫用對鋰離子電池熱安全特性的影響

背景:鋰離子電池因其高能量密度和長使用壽命，在電動汽車領域得到了廣泛應用。然而，高能量密度的鋰離子電池熱穩定性較差，安全性能較弱。輕微電濫用，如過充（OC）和過放（OD），在實際應用中經常發生，對電池的安全性有顯著影響。文章通過實驗和分析，深入探討了輕微電濫用對電池熱特性的影響，包括熱量生成和熱失控特性，并揭示了導致這些變化的內在機制。

研究方法：使用商用18650型鋰離子電池進行實驗，包括電濫用測試、容量增量（IC）測試、熱量生成測試、熱失控測試和特性分析測試。在絕熱條件下測量電池在充放電過程中的熱量生成。在絕熱條件下測試電池的熱失控特性，包括自加熱溫度（T1）、熱失控觸發溫度（T2）和最高溫度（T3）。使用掃描電子顯微鏡（SEM）、能量色散光譜（EDS）、X射線光電子能譜（XPS）和X射線衍射（XRD）等技術分析電池電極的形態、結構和成分變化。

結論：輕微電濫用對鋰離子電池熱特性有顯著影響：顯著增加了電池在絕熱條件下的熱量生成，尤其是輕微過放對熱量生成的影響更大。在充電過程中，輕微過放導致的溫度升高比輕微過充高6.4℃；在放電過程中，輕微過放導致的溫度升高比輕微過充高5℃。

輕微電濫用降低了電池的熱穩定性：輕微電濫用降低了電池的自加熱溫度，表明電池熱穩定性下降。輕微過充導致自加熱溫度下降17℃，比輕微過放的影響更顯著。輕微電濫用對熱失控過程中的最高溫度影響不大，但顯著降低了最大放熱速率，尤其是輕微過放的影響更為明顯。

輕微電濫用導致電池內部退化：輕微過充導致IC曲線中峰值①的幅度增加，表明負極內部鋰含量增加，但對其他峰值的影響不大，說明輕微過充未損壞活性材料。輕微過放不僅導致峰值①的幅度增加，還導致峰值④的幅度略有下降，表明輕微過放導致活性材料輕微損失，并且IC曲線向低電壓方向移動，表明輕微過放導致導電性下降。 

產品推薦：

熱失控實驗：使用絕熱加速量熱儀（HEL BTC-130），H-W-S（Heat-Wait-Search）模式，初始溫度：35℃，初始校準時間：90分鐘，其他校準時間：20分鐘，溫度臺階：5℃，等待時間：15分鐘，搜索時間：5分鐘，最高跟蹤溫度：300℃。

實驗結果：

自加熱溫度（T1）：新鮮電池的T1為95.8℃，輕微過放后的電池T1為82.1℃，輕微過充后的電池T1為78.8℃。

熱失控觸發溫度（T2）：新鮮電池的T2為163℃，輕微過放后的電池T2為166℃，輕微過充后的電池T2為161.1℃。

最高溫度（T3）：新鮮電池的T3為589.9℃，輕微過放后的電池T3為563.7℃，輕微過充后的電池T3為591.6℃。

最大放熱速率：新鮮電池的最大放熱速率為4332℃/min，輕微過放后的電池為4090℃/min，輕微過充后的電池為4103℃/min。

來源

Zhang, G., Wei, X.,Chen, S., Zhu, J., Han, G., & Dai, H. (2021). Revealing the Impact of

Slight Electrical Abuse on the Thermal Safety Characteristics for Lithium-Ion Batteries. ACS Applied Energy Materials, 4, 12858?12870. 

About H.E.L

Hazard Evaluation Laboratories 成立于1987年，總部設在倫敦，在中國、美國、德國、意大利、印度擁有分公司。全資的赫伊爾商貿（北京）有限公司于 2020年在北京設立。H.E.L最初是一家過程工藝優化及反應危害評估的專業咨詢機構，對研究機構和生產企業承接工藝過程研發項目；同時提供安全咨詢，包括事故調查、HAZOP研究、安全設施的設計及制度管理等。目前，H.E.L是全球首屈一指的過程工藝及安全專業咨詢機構，同時已經發展成為一家致力于為客戶提供專業的過程工藝優化及反應危害評估設備的國際集團企業。

關于綠綿科技

　　2001年成立的北京綠綿科技有限公司(簡稱：綠綿科技)以體現客戶服務價值為宗旨，以專業精神和技能為廣大實驗室分析工作者提供樣品前處理、樣品制備及分析、實驗數據精確分析和管理的全面解決方案，致力于協助客戶提高分析檢測的效率和水平。

　　主要代理產品：GC/MS/MS,LC/MS/MS新機租賃業務/LUMTECH循環制備液相/靜音型雙頻超聲清洗/Knauer研發，中試和生產脂質納米顆粒（LNP)碰撞噴射混合器系統/冰點滲透壓儀、液相/超高壓液相色譜儀、在線SPE液相色譜儀/法國F-DGSi氮氣，超高純氫氣氣體發生器，液氮發生器/Cytiva生命科學設備/LabOS實驗室運營系統/MassWorks準確質量數測定及分子式識別系統/MsMetrix氣質香精香料分析軟件/Sin-QuEChERS農殘凈化柱/制藥企業質量回顧性報告系統（QRS)/英國赫伊爾生物反應器，電池絕熱量熱、催化劑合成。

2025-YJ02-3/24