H.E.L鋰電池的電氣濫用研究— BTC-130標(biāo)準(zhǔn)電池絕熱量熱儀的應(yīng)用

前言

鋰離子電池電氣濫用研究是電池安全領(lǐng)域的一個(gè)重要課題，特別是在電動(dòng)汽車和大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)中。電氣濫用主要包括過充（Overcharge, OC）和過放（Overdischarge, OD），這些情況在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常發(fā)生，對(duì)電池的安全性和壽命有顯著影響：

過充影響：過充會(huì)導(dǎo)致鋰離子在負(fù)極表面沉積，形成金屬鋰。這些金屬鋰具有較高的反應(yīng)性，容易與電解液發(fā)生反應(yīng)，釋放大量熱量，降低電池的熱穩(wěn)定性。

過放影響：過放會(huì)導(dǎo)致銅集流體溶解，銅離子遷移到正極并沉積，形成銅枝晶。這些銅枝晶可能會(huì)穿透隔膜，引發(fā)內(nèi)部短路，導(dǎo)致熱失控。

氣體生成：電濫用可能導(dǎo)致電池內(nèi)部生成大量氣體，增加電池內(nèi)部壓力，可能導(dǎo)致電池膨脹甚至破裂。

容量退化：輕微電濫用會(huì)逐漸降低電池的容量。過充和過放都會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部的活性材料損失，減少電池的可用容量。

內(nèi)阻增加：電濫用會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部的電極結(jié)構(gòu)變化，增加電池的內(nèi)阻。內(nèi)阻增加會(huì)降低電池的充放電效率，導(dǎo)致電池在高電流充放電時(shí)的電壓降增大。

電壓特性變化：電濫用會(huì)改變電池的電壓特性，導(dǎo)致電池在充放電過程中的電壓平臺(tái)發(fā)生變化。這會(huì)影響電池的充放電管理策略，降低電池的使用效率。

電濫用對(duì)鋰離子電池的影響是多方面的，涉及安全、性能、壽命和成本等多個(gè)方面。通過實(shí)驗(yàn)和分析，可以深入理解電濫用對(duì)電池的影響機(jī)制，為電池的安全管理和設(shè)計(jì)提供重要的指導(dǎo)。

案例：揭示輕微電濫用對(duì)鋰離子電池?zé)岚踩匦缘挠绊?/p>

背景:鋰離子電池因其高能量密度和長使用壽命，在電動(dòng)汽車領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，高能量密度的鋰離子電池?zé)岱€(wěn)定性較差，安全性能較弱。輕微電濫用，如過充（OC）和過放（OD），在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常發(fā)生，對(duì)電池的安全性有顯著影響。文章通過實(shí)驗(yàn)和分析，深入探討了輕微電濫用對(duì)電池?zé)崽匦缘挠绊?，包括熱量生成和熱失控特性，并揭示了?dǎo)致這些變化的內(nèi)在機(jī)制。

研究方法：使用商用18650型鋰離子電池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，包括電濫用測試、容量增量（IC）測試、熱量生成測試、熱失控測試和特性分析測試。在絕熱條件下測量電池在充放電過程中的熱量生成。在絕熱條件下測試電池的熱失控特性，包括自加熱溫度（T1）、熱失控觸發(fā)溫度（T2）和最高溫度（T3）。使用掃描電子顯微鏡（SEM）、能量色散光譜（EDS）、X射線光電子能譜（XPS）和X射線衍射（XRD）等技術(shù)分析電池電極的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和成分變化。

結(jié)論：輕微電濫用對(duì)鋰離子電池?zé)崽匦杂酗@著影響：顯著增加了電池在絕熱條件下的熱量生成，尤其是輕微過放對(duì)熱量生成的影響更大。在充電過程中，輕微過放導(dǎo)致的溫度升高比輕微過充高6.4℃；在放電過程中，輕微過放導(dǎo)致的溫度升高比輕微過充高5℃。

輕微電濫用降低了電池的熱穩(wěn)定性：輕微電濫用降低了電池的自加熱溫度，表明電池?zé)岱€(wěn)定性下降。輕微過充導(dǎo)致自加熱溫度下降17℃，比輕微過放的影響更顯著。輕微電濫用對(duì)熱失控過程中的最高溫度影響不大，但顯著降低了最大放熱速率，尤其是輕微過放的影響更為明顯。

輕微電濫用導(dǎo)致電池內(nèi)部退化：輕微過充導(dǎo)致IC曲線中峰值①的幅度增加，表明負(fù)極內(nèi)部鋰含量增加，但對(duì)其他峰值的影響不大，說明輕微過充未損壞活性材料。輕微過放不僅導(dǎo)致峰值①的幅度增加，還導(dǎo)致峰值④的幅度略有下降，表明輕微過放導(dǎo)致活性材料輕微損失，并且IC曲線向低電壓方向移動(dòng)，表明輕微過放導(dǎo)致導(dǎo)電性下降。 

產(chǎn)品推薦：

熱失控實(shí)驗(yàn)：使用絕熱加速量熱儀（HEL BTC-130），H-W-S（Heat-Wait-Search）模式，初始溫度：35℃，初始校準(zhǔn)時(shí)間：90分鐘，其他校準(zhǔn)時(shí)間：20分鐘，溫度臺(tái)階：5℃，等待時(shí)間：15分鐘，搜索時(shí)間：5分鐘，最高跟蹤溫度：300℃。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

自加熱溫度（T1）：新鮮電池的T1為95.8℃，輕微過放后的電池T1為82.1℃，輕微過充后的電池T1為78.8℃。

熱失控觸發(fā)溫度（T2）：新鮮電池的T2為163℃，輕微過放后的電池T2為166℃，輕微過充后的電池T2為161.1℃。

最高溫度（T3）：新鮮電池的T3為589.9℃，輕微過放后的電池T3為563.7℃，輕微過充后的電池T3為591.6℃。

最大放熱速率：新鮮電池的最大放熱速率為4332℃/min，輕微過放后的電池為4090℃/min，輕微過充后的電池為4103℃/min。

來源

Zhang, G., Wei, X.,Chen, S., Zhu, J., Han, G., & Dai, H. (2021). Revealing the Impact of

Slight Electrical Abuse on the Thermal Safety Characteristics for Lithium-Ion Batteries. ACS Applied Energy Materials, 4, 12858?12870. 

About H.E.L

Hazard Evaluation Laboratories 成立于1987年，總部設(shè)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(mào)（北京）有限公司于 2020年在北京設(shè)立。H.E.L最初是一家過程工藝優(yōu)化及反應(yīng)危害評(píng)估的專業(yè)咨詢機(jī)構(gòu)，對(duì)研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)承接工藝過程研發(fā)項(xiàng)目；同時(shí)提供安全咨詢，包括事故調(diào)查、HAZOP研究、安全設(shè)施的設(shè)計(jì)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(yè)咨詢機(jī)構(gòu)，同時(shí)已經(jīng)發(fā)展成為一家致力于為客戶提供專業(yè)的過程工藝優(yōu)化及反應(yīng)危害評(píng)估設(shè)備的國際集團(tuán)企業(yè)。

關(guān)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(xiàn)客戶服務(wù)價(jià)值為宗旨，以專業(yè)精神和技能為廣大實(shí)驗(yàn)室分析工作者提供樣品前處理、樣品制備及分析、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精確分析和管理的全面解決方案，致力于協(xié)助客戶提高分析檢測的效率和水平。

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