H.E.L鋰離子電池熱失控預警研究— BTC-130標準電池絕熱量熱儀的應用

編者薦語：

鋰離子電池熱失控預警是電池安全管理中的重要研究方向。本文分享了BTC-130 標準電池絕熱量熱儀的應用案例：鋰離子電池內部溫度的超聲監測：熱失控的檢測與預防。

以下文章來源于HEL Group ，作者H.E.L Group

前言

鋰離子電池熱失控預警是電池安全管理中的重要研究方向。鋰離子電池在使用過程中可能受到焦耳熱、反應熱和副反應熱等因素的影響，導致熱量積聚，進而使電池溫度不斷上升。在極端情況下，這種溫度異常可能引發熱失控，甚至導致爆炸等安全事故。此外，即使電池配備了安全閥，仍存在一定概率發生熱失控，且電池化學反應產生的易燃易爆氣體也會對系統安全構成潛在威脅。因此，對鋰離子電池熱失控進行預警研究具有重要的現實意義。

目前，熱失控預警的特征與方法：

溫升速率：根據GB 38031－2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》，鋰電池熱失控的判定條件為溫升速率dT/dt≥1℃/s，且持續3s以上。

安全閥開啟特征：在熱失控過程中，電池安全閥開啟后表面溫度會出現下降現象。

多特征融合方法：有研究提出基于多特征融合的預警算法，如采用DTW-K-means算法區分異常鋰電池的溫升速率，并結合安全閥開啟后的溫度下降特征，有效檢測熱失控。

盡管鋰離子電池的發展迅速，但熱失控安全管理的研究仍存在不足。未來的研究方向包括：

• 探索更新的相似性匹配和聚類算法。

• 深入研究更多熱失控前期特征并進行多特征融合。

• 提升預警系統的實際應用性能和可靠性

案例：鋰離子電池內部溫度的超聲監測：熱失控的檢測與預防

背景:鋰離子電池（LIBs）在消費電子、電動汽車和固定儲能系統中得到了廣泛應用。然而，隨著其使用量的增加，尤其是二手電池在家庭儲能中的應用，安全性問題日益突出。熱失控是鋰離子電池的一個關鍵安全問題，可能導致難以控制的火災，造成嚴重的安全隱患。因此，開發一種能夠快速、低成本地監測鋰離子電池內部溫度動態的方法，并提前預警熱失控事件，是當前研究的迫切需求。

研究方法：研究團隊采用超聲波分析技術來監測電池內部的溫度變化和結構變化。實驗使用了210mAh的軟包電池（LCO正極和石墨負極），通過超聲波探頭（5MHz）和超聲波探傷儀（EPOCH 650）進行測量。超聲波信號的傳播時間（ToF）被用來推斷電池內部的溫度變化，因為聲速與材料的密度和彈性模量有關，而這些特性會隨溫度變化而改變。

實驗設計：電池充放電過程中的超聲波監測：通過監測電池在充放電過程中的超聲波信號變化，研究團隊發現電池內部材料屬性的變化（如石墨負極的楊氏模量變化）會導致聲速變化，從而影響超聲波的ToF。

溫度預測模型：通過已知的電池狀態（如SoC和溫度），研究團隊建立了模型來預測超聲波信號的ToF變化，并驗證了該模型的準確性。

局部和均勻加熱實驗：通過局部加熱（使用加熱棒）和均勻加熱（使用溫度箱）的方式，模擬電池內部的不均勻加熱和熱失控過程，研究超聲波信號如何響應這些變化。

結論： 超聲波監測的靈敏性：超聲波技術能夠快速檢測到電池內部的溫度變化，即使在表面溫度尚未顯著變化時也能捕捉到內部的熱事件。這比傳統的表面溫度測量方法（如熱電偶）更靈敏。

多級預警系統：研究團隊提出了一個基于超聲波信號變化的多級預警系統：

• 一級預警：當超聲波信號的ToF超出正常操作范圍時觸發。

• 二級預警：當ToF與預測值偏離時觸發，表明內部或不均勻加熱。

• 三級預警：當超聲波信號的第一回波峰消失時觸發，這通常表明電池內部形成了氣體，可能導致熱失控。

實驗驗證：通過實驗，研究團隊證明了在熱失控發生之前，超聲波信號會發生顯著變化，這些變化可以作為早期預警信號。例如，在一個實驗中，當電池加熱到三級預警時停止加熱，電池并未進入不可逆的熱失控狀態，驗證了超聲波技術的有效性。

產品推薦：

• 熱失控實驗：使用HEL BTC-130標準電池絕熱加速量熱儀進行熱失控測試：

• 選擇待測試的鋰離子電池（如210mAh的軟包電池）

• 將電池放置在BTC-130的測試腔內，確保電池與加熱元件和溫度傳感器的良好接觸。

• 在電池表面安裝超聲波探頭，用于實時監測電池內部的結構變化。

• 在電池表面和加熱元件附近安裝熱電偶（K型），用于監測電池表面和內部的溫度變化。

• 確保所有傳感器和探頭連接到相應的數據采集系統。

• 使用BTC-130的加熱元件對電池進行加熱。加熱方式可以是整體加熱或局部加熱，具體取決于研究目的。

• 對于整體加熱，設置加熱速率為均勻升溫，確保電池整體溫度一致。

• 對于局部加熱，使用加熱元件對電池的特定區域進行加熱，模擬電池內部的局部熱失控。

• 持續加熱電池，直至電池進入熱失控狀態。熱失控的特征包括溫度急劇上升、電池電壓下降、氣體釋放等。

• 在熱失控過程中，記錄超聲波信號的變化，特別是第一回波峰的消失，這通常表明電池內部結構的顯著變化（如氣體生成或電極層分離）。

來源

Owen, R. E., Wi?niewska, E., Braglia, M., Stocker, R., Shearing, P. R., Brett, D. J. L., & Robinson, J. B. (2024). Operando ultrasonic monitoring of the internal temperature of lithium-ion batteries for the detection and prevention of thermal runaway. Journal of The Electrochemical Society, 171(4), 040525.

關于HEL：

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。

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