H.E.L 鋰離子電池電濫用研究——BTC-500 大電池絕熱加速量熱儀

鋰離子電池因其高能量密度、長循環壽命和良好的充放電性能，已成為電動汽車、消費電子和儲能系統中的主流電池技術。然而，鋰離子電池在濫用條件下（如過度充電和過度放電）可能引發嚴重的安全問題，包括熱失控、起火甚至爆炸。這些安全問題不僅威脅到用戶的安全，還可能阻礙鋰離子電池技術的進一步推廣和應用。為此研究者通過此方面研究，有助于深入理解電池在極端條件下的失效機制，從而為電池管理系統（BMS）的設計提供科學依據，以有效預防電池安全事故；可以優化電池的充放電策略，合理控制充電電壓和放電深度，從而延長電池的循環壽命有助于發現現有電池材料和結構的不足，從而推動新型電池材料和結構的研發；可以提高電池的安全性和可靠性，從而推動新能源汽車產業的健康發展。

案例：鋰離子電池過充熱安全性研究

Ji, C., Zhang, S., Wang, B., Sun, J., Zhang, Z., & Liu, Y. (2022). Study on thermal safety of the overcharged lithium-ion battery. Fire Technology, 59, 1089–1114. 

背景:隨著生活水平的提高，汽車逐漸成為主要交通工具，對非可再生能源和環境造成了巨大壓力。新能源汽車作為替代傳統燃油車的解決方案，承擔著減少碳排放的任務。鋰離子電池因其高工作電壓、高能量密度、長循環壽命、無環境污染等優點，成為電動汽車動力電池的首選。然而，鋰離子電池在濫用條件下存在嚴重的安全問題，尤其是過充可能導致電池起火甚至爆炸，阻礙了電動汽車的發展和普及。通過研究過充條件下的熱失控行為，可以更好地理解電池的安全特性，從而設計更安全的電池管理系統（BMS）。   

研究方法：選擇了三種商業化的鋰離子電池，包括軟包NCM-12 Ah、32650-LFP-5 Ah和方形LFP-20 Ah電池。通過實驗研究不同充電速率下NCM電池的熱失

控行為，以及三種不同類型電池在1.00 C充電速率下的過充特性。基于實驗數據，提出一個新的指標——過充程度，用于評估電池在不同過充條件下的安全狀態，為電池過充條件下的早期安全預警提供思路。

實驗結果：NCM電池在不同充電速率下的熱安全特性：

• 隨著充電速率的增加，NCM電池的初始熱失控溫度逐漸降低，但2.00 C的初始熱失控溫度略低于1.50 C。

• 電池的最大熱失控溫度先增加后減少。

• 電壓在早期的上升速率隨充電速率的增加而增加。

• 電池在熱失控前的電壓先降低后增加。

• 總充電容量呈線性下降趨勢。

• 電池質量損失先增加后減少，其中1.00 C過充后的質量損失最大。

三種電池在1.00 C充電速率下的熱安全特性：

• 32,650電池的初始熱失控溫度最低。

• 方形LFP電池的最大熱失控溫度最高。

• 方形LFP電池的溫度變化率最大。

• 方形LFP電池的電壓首先降至0 V。

• NCM電池的過充時間最長。

結論：過充程度指標：通過綜合分析過充電池特征參數的變化趨勢，引入了過充程度指標，用于評估電池在不同過充條件下的安全狀態。當過充程度大于0.4時，電池熱失控的概率增加，安全性降低。    

熱失控行為：過充導致的熱失控行為與充電速率密切相關，高充電速率下電池的熱失控更為劇烈，安全性更低。

電池類型差異：不同類型的電池在過充條件下的熱失控行為存在差異，方形LFP電池在熱失控過程中表現出最高的溫度和最快的變化率，而32,650電池的初始熱失控溫度最低。

本文的研究為理解鋰離子電池在過充條件下的熱安全特性提供了實驗數據支持，并為電池管理系統的設計和電池安全預警策略的制定提供了科學依據。通過引入過充程度指標，為電池安全性能的評估提供了一個新的量化工具。          

熱失控實驗：使用HEL BTC-500 大電池絕熱加速率量熱儀進行進行絕熱條件下的熱失控測試。

• 將電池放置在25°C的恒溫箱中，進行0.50 C恒流放電至截止電壓，然后在恒溫箱中平衡1小時。

• 稱量電池初始重量。

• 將電池放入測試箱中，安裝溫度傳感器，連接電流線和電壓傳感器。

• 設置ARC控制軟件的實驗步驟，包括初始溫度、校準、等待、充電和冷卻階段。

• 啟動實驗，實驗結束后關閉軟件和設備，取出電池，測量實驗后的質量變化。

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。

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