H.E.L鋰離子電池熱安全評估— BTC-130標準電池絕熱量熱儀的應用

前言

鋰離子電池熱安全研究是電池科學與工程領域的一個重要分支，主要關注鋰離子電池在各種工況下的熱行為、熱失控機制以及熱管理策略。近年來，鋰離子電池相關的安全事故頻發，如智能手機自燃、電動汽車起火等事件，引起了公眾的廣泛關注和擔憂。這些事故不僅對用戶的生命財產安全構成威脅，也對相關產業的發展帶來了負面影響。通過深入研究鋰離子電池的熱安全特性，可以更好地理解熱失控的機理，從而開發出有效的預防措施。例如，改進電池材料、優化電池設計、完善電池管理系統（BMS）等，能夠有效降低熱失控的風險。

提高電池的安全性可以增強公眾對鋰離子電池產品的信任，促進消費電子、電動汽車和儲能系統等產業的健康發展。這對于推動新能源汽車的普及和可再生能源的廣泛應用具有重要意義。

案例：鋰離子電池全生命周期熱安全演化機理及無損評價

背景:隨著環境污染和能源短缺問題的日益突出，全球能源結構正向清潔、低碳、智能、高效和經濟安全的方向轉型。電動汽車作為能源轉型的重要組成部分，其核心部件鋰離子電池的安全性問題成為制約電動汽車發展的關鍵因素之一。電池熱失控事件可能導致嚴重的人員傷亡和財產損失，降低消費者對電動汽車的信心。因此，研究鋰離子電池在全生命周期內的熱安全演變機制，并開發非破壞性的熱安全評估方法，對于保障電動汽車的安全運行至關重要。

研究方法：設計了四種不同的電池老化路徑：低溫循環（-10℃/0.5C，LTC）、高倍率循環（25℃/5C，HRC）、高溫循環（60℃/0.5C，HTC）和高溫存儲（60℃/100% SOC，HTR），以模擬電池在實際使用中的不同工況。通過加速量熱儀（ARC）進行絕熱熱失控測試，結合電化學阻抗譜（EIS）、增量容量（IC）和差分熱伏安法（DTV）等多維電化學測試，以及掃描電子顯微鏡（SEM）、能量色散光譜（EDS）、X射線光電子能譜（XPS）和X射線衍射（XRD）等多種表征手段，全面分析了電池在不同老化路徑下的熱安全演變機制。

實驗結果：

電化學性能退化行為：研究發現，隨著電池老化，不同老化路徑下的電池電化學阻抗譜（EIS）逐漸向正實軸偏移，中高頻區域的弧徑顯著增大，表明電池內阻增加，尤其是電荷轉移阻抗。通過分布松弛時間（DRT）計算和等效電路模型擬合，進一步量化了不同老化路徑對電池內阻的影響。增量容量（IC）曲線和差分熱伏安法（DTV）曲線的變化表明，低溫循環和高倍率循環路徑下，鋰離子在石墨中的嵌入/脫嵌過程受到嚴重影響，而高溫循環和高溫存儲路徑下，電池的熱穩定性下降更為顯著。

熱失控特性：通過ARC測試，研究者們發現，與新鮮電池相比，老化電池的自加熱初始溫度（T1）和熱失控觸發溫度（T2）顯著降低，表明電池熱穩定性下降。特別是在低溫循環和高倍率循環路徑下，T1和T2的下降更為明顯。此外，電池的最大溫度（T3）和最大溫升速率（Max dT/dt）也隨著老化而降低，表明電池的熱危害性降低。

老化機制分析：通過SEM、EDS、XPS和XRD等表征手段，研究者們發現鋰離子電池的老化機制主要與鋰金屬的沉積（鋰金屬化）有關。在低溫循環和高倍率循環路徑下，鋰金屬化現象更為嚴重，導致電池內阻增加和熱穩定性下降。而在高溫循環和高溫存儲路徑下，鋰金屬化現象相對較輕，但電池的結構穩定性受到更大影響，導致熱穩定性下降。

電池組件的熱穩定性：通過差示掃描量熱法（DSC）和ARC測試，研究者們分析了不同老化路徑下電池組件（包括正極、負極、隔膜等）的熱穩定性。結果表明，不同老化路徑對電池組件的熱穩定性有不同的影響，尤其是在高溫條件下，電池組件的熱穩定性下降更為顯著。

結論： 

鋰金屬化是關鍵老化機制：鋰金屬化是導致鋰離子電池熱安全性能下降的共同關鍵機制。在低溫循環和高倍率循環路徑下，鋰金屬化現象更為嚴重，導致電池內阻增加和熱穩定性顯著下降。

熱穩定性下降與電化學性能退化同步：電池的老化導致熱穩定性下降的同時，電化學性能也顯著退化，如內阻增加、IC曲線谷值深度變化和DTV曲線峰谷斜率變化等。

非破壞性熱安全評估方法：基于老化機制同時影響電化學特性和熱安全特性的原理，研究者們建立了電化學特性觀察指標與熱安全特性參數之間的映射關系，實現了鋰離子電池全生命周期內的非破壞性熱安全評估。 

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絕熱條件下熱失控測試：

• 定制的鋰離子電池（如軟包電池）l將測試電池在25℃環境下靜置24小時，以確保電池處于穩定狀態。

• 使用恒流恒壓充電器將電池充電至滿電狀態（如4.2V），充電電流為0.33C。

• 設置初始溫度（如35℃），并進行初始校準，記錄電池的初始溫度和自加熱率。

• 當自加熱率超過0.02℃/min時，設備進入跟蹤階段，記錄電池的溫度變化。

• 設備會持續跟蹤電池的自加熱過程，直到電池溫度達到熱失控階段。

• 記錄電池的自加熱初始溫度（T1）、熱失控觸發溫度（T2）、最大溫度（T3）和最大溫升速率（Max dT/dt）。

• 分析熱失控過程中電池的溫度變化曲線，評估電池的熱安全性能。

來源:Zhang, G., Wei, X., Wang, X., Chen, S., Zhu, J., & Dai, H. (2024). Evolution mechanism and non-destructive assessment of thermal safety for lithium-ion batteries during the whole lifecycle. Nano Energy, 126, 109621.

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。

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-YJ03-01/34