H.E.L 鋰離子電池熱失控研究 —BTC-130 標準電池絕熱量熱儀

鋰離子電池在使用過程中可能會因機械濫用（如碰撞、擠壓、穿刺）、電濫用（如過充、過放、過流）和熱濫用（如高溫環境）等因素引發熱失控。熱失控會導致電池溫度急劇上升，進而引發電池起火、爆炸等安全事故，嚴重威脅人身和財產安全。為此研究者希望通過熱失控模型的研究來降低鋰離子電池在使用過程中的安全風險：

揭示熱失控機理：通過建立熱失控模型，深入研究鋰離子電池在不同濫用條件下的熱失控觸發機制、演化過程以及內部的物理化學變化，明確各因素之間的相互作用。

預測熱失控行為：利用模型對電池在特定條件下的熱失控行為進行預測，包括溫度變化、壓力變化、氣體生成等，以便提前采取措施防止事故的發生。

優化電池設計與熱管理：基于模型的研究結果，為電池的結構設計、材料選擇以及熱管理系統的設計和優化提供理論依據，提高電池系統的安全性。

通過此研究減少因熱失控引發的火災、爆炸等事故，保障用戶的生命和財產安全，為新能源汽車、儲能系統等領域的大規模應用提供技術支持，促進鋰離子電池行業的健康發展。 

案例：磷酸鐵鋰電池熱失控路徑的詳細建模研究

Kwak, E., Kim, J.-h., Hong, S. H., & Oh, K.-Y. (2021). Detailed modeling investigation of thermal runaway pathways of a lithium iron phosphate battery. International Journal of Energy Research. 

背景:鋰離子電池（LIBs）因其高能量密度、低自放電率和長循環壽命等優點，被廣泛應用于從小型便攜電子設備到大型電動車輛（xEVs）和能源存儲系統（ESSs）。然而，LIBs中的熱失控（TR）可能導致火災或爆炸，對生命和財產構成威脅。盡管LIBs的TR事故罕見，但其低概率事件仍阻礙了LIB市場的擴張。磷酸鐵鋰LFP電池是熱穩定性最高的LIBs，但它們在濫用條件下仍會發生TR。 

研究方法：

• 文章提出了一個多物理場TR模型，考慮了化學反應、熱力學和老化，并使用實驗數據進行驗證。

• 模型包括三個子模型：化學反應降解模型、熱力學模型和老化模型。

• 化學反應降解模型計算了SEI層、負極、正極和電解液的化學熱生成。

• 熱力學模型考慮了電池內部的熱生成和傳導，以及電池與環境之間的熱對流。

• 老化模型假設SEI層的生長是老化的主要機制，并考慮了SEI層厚度的演變。

實驗：

• 實驗部分包括自加熱實驗、老化實驗和烤箱測試，用于獲取模型校準和驗證所需的數據。

• 自加熱實驗使用電池測試量熱儀（BTC）進行，以獲取化學反應模型的參數。

• 老化實驗通過測量電池在循環過程中的機械演變來確定老化模型的參數。

• 烤箱測試用于確定熱力學參數，并驗證提出的模型。    

  
  

結論：

• 操作依賴性：在電濫用條件下，C率（充電速率）和冷卻條件對TR路徑有顯著影響。高C率會導致TR更快發生，且溫度更高。而強冷卻可以降低TR的峰值溫度并推遲TR的開始時間。

  
  

• 尺寸依賴性：在熱濫用條件下，電池的尺寸對TR路徑有顯著影響。較小的電池尺寸（較大的表面積與體積比，S/V）會導致更快的TR發生，而較大的電池尺寸則會延遲TR。這一現象主要源于電池與環境之間的熱交換。

• 老化影響：老化對TR路徑的影響在電濫用和熱濫用條件下有所不同。在電濫用條件下，老化主要影響TR的峰值溫度；而在熱濫用條件下，老化主要影響TR的開始時間。這種差異歸因于不同的熱源和熱平衡機制。

研究意義：

• 該研究通過詳細的建模分析，為LFP電池的設計和熱管理策略的開發提供了重要的理論支持。

• 研究結果有助于確保LFP電池的熱穩定性和可靠性，對于推動LFP電池在各種應用中的安全使用具有重要意義。

熱失控實驗：

• 設備：使用BTC-130 標準電池絕熱量熱儀進行熱失控測試，通過測量電池在加熱過程中的溫度變化，確定熱失控的起始溫度、峰值溫度等關鍵參數。

• LFP電池充滿電，100%SOC,將電池放置在BTC測試裝置的中心位置。   

• 將BTC測試裝置的初始溫度設置為30℃。

• 采用“加熱-等待-搜索”（Heat-Wait-Search, HWS）程序進行實驗。

• 在整個實驗過程中，使用數據記錄儀以1 Hz的采樣率記錄電池表面溫度。

• 通過分析溫度數據，確定熱失控的關鍵參數，如起始溫度（Tonset）、峰值溫度（Tpeak）等。

• 記錄每個溫度點的溫度變化曲線，以便后續分析電池在不同溫度下的熱失控行為。

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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