H.E.L 圓柱鋰離子電池熱失控研究—BTC-130 標準電池絕熱量熱儀

2024年1-9月，全球圓柱電池出貨量達到115億只，全年達到145億只，同比增幅超過11.9%。其中，大圓柱型號（如32/40/46/60系列）增速超過50%，表現亮眼。全極耳技術成為圓柱電池的應用大趨勢，顯著提升了小圓柱電池（如18系列和21系列）的性能。2024年1-9月，18系列圓柱電池出貨59.56億只，占比52.01%；21系列圓柱電池出貨49.67億只，占比43.37%。預計到2025年，全球圓柱電池出貨量將達到195億只。其中，中國圓柱市場將達到79.4億只。大圓柱電池（如4680、4695等型號）將成為未來市場的主流，尤其在電動汽車領域。預計到2025年，全球大圓柱電池的市場需求有望達到144.2GWh至235GWh。

與此同時圓柱鋰離子安全問題研究同樣吸引人們的關注，對其熱失控特性研究并促進其提高安全性對企業及市場有著重要的意義。

案例：圓柱形鋰離子電池熱失控及臨界特性比較研究：綜述

Li, W., Wang, J., Sun, C., Fan, X., Gong, L., Huang, J., ... & Duh, Y. S. (2025). Comparison on Thermal Runaway and Critical Characteristics of Cylindrical Lithium-Ion Batteries: A Review. ACS Chemical Health & Safety.

背景:隨著能源危機和全球氣候變化的加劇，人類迫切需要從傳統化石燃料轉向可再生能源。鋰離子電池（LIBs）因其高能量密度、長循環壽命和緊湊尺寸，在便攜電子設備、電動汽車（EVs）、混合動力電動汽車（HEVs）和能源存儲系統（ESSs）中得到了廣泛應用。然而，LIBs的安全性問題，尤其是熱失控行為，成為限制其進一步應用的關鍵因素。近年來，多起由LIBs引發的火災和爆炸事故引起了廣泛關注，因此，研究LIBs的熱失控特性并提高其安全性具有重要意義。    

研究方法：

• 文章通過整合國際實驗室的數據，對不同尺寸的圓柱形LIBs在100%充電狀態（SOC）下的六種熱危害參數進行了分析：起始溫度（Tonset）、臨界溫度（Tcr）、最高溫度（Tmax）、最大自發熱速率（(dT/dt)max）、非冷凝氣體釋放量（Δn）和焓變（ΔH）。

• 使用加速絕熱量熱儀（ARC）和進絕熱量熱儀（PAC）來評估電池的熱危害，并建立了熱分析數據庫，對臨界溫度進行了分類。

實驗結果：

• 熱危害排序：通過對不同尺寸和化學成分的圓柱形LIBs的熱危害數據進行分析，得出熱危害排序為21700 > 18650非LFP ? 26650 LFP > 14500非LFP > 18650 LFP > 14500 LFP。

• 起始溫度（Tonset）：21700 NMC電池的最低Tonset為88.0℃，而18650 LFP電池的最高Tonset為220.0℃。

• 臨界溫度（Tcr）：21700 NCA電池的最低Tcr為145.5℃，而14500和18650 LFP電池沒有觀察到Tcr。

• 最高溫度（Tmax）：21700 NCA電池的最高Tmax為1257.9℃，而18650 LFP電池的最低Tmax為243.2℃。    

• 最大自發熱速率（(dT/dt)max）：21700 NCA電池的最高(dT/dt)max為64536.0℃ min?1，而18650 LFP電池的最低(dT/dt)max為3.0℃ min-1。

• 非冷凝氣體釋放量（Δn）：18650 NCA電池的最高Δn為314.0 mmol，而14500 LFP電池的最低Δn為23.3 mmol。

• 焓變（ΔH）：21700 NCA電池的最高ΔH為70.5 kJ，而14500 LFP電池的最低ΔH為0.8 kJ。

結論：

• 文章指出，21700電池由于采用了高能量密度的LiNi0.8Co0.15Al0.05O2（NCA）和LiNixMnyCozO2（NMC）正極材料，表現出最嚴重的熱失控后果。

• 臨界溫度Tcr和最大溫度Tmax的分布較廣，且大多數最大自發熱速率（dT/dt）和壓力數據在文獻中缺失。

• 不同研究者對起始溫度、臨界溫度、觸發溫度以及可能引發嚴重熱失控的熱源的定義存在顯著差異，這增加了研究的復雜性

• 文章還討論了熱失控的可能機制，包括內部短路、氣體沖擊或電子擊穿等，這些因素可能導致隔膜熔化后引發熱失控。

總結：

• 文章通過總結100% SOC圓柱形LIBs的熱失控數據，構建了包含六種危害數據的箱線圖，并對圓柱形LIBs的熱危害進行了分析和分類。研究表明，NCA和NMC材料廣泛應用于21700和18650電池中，但在100% SOC下的熱失控風險是不可接受的。文章強調了準確獲取熱危害數據的重要性，并指出了熱失控觸發原因、起始溫度、熱失控能量學和臨界點定義的不確定性，這些因素嚴重阻礙了本質安全LIBs的發展。

• 文章提出了未來研究的方向，包括提高熱電偶與電池接觸的穩定性，以獲得更準確的數據；設計支撐框架或彈丸以增強信號噪聲比；防止鋰電鍍引起的熱失控；進一步探索低Tcr背后的化學和物理現象；結合多信號參數和新方法（如高速CT或聲學光譜學）來研究失效機制；以及設計具有更穩定化學和更安全內部布局的下一代21700 LIBs。          

絕熱實驗：使用BTC-130標準電池絕熱量熱儀對圓柱電池進行熱失控研究：

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。

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