H.E.L鋰離子電池熱失控預警研究— BTC-130標準電池絕熱量熱儀的應用

編者薦語：

鋰離子電池熱失控預警是電池安全管理中的重要研究方向。本文分享了BTC-130 標準電池絕熱量熱儀的應用案例：鋰離子電池內(nèi)部溫度的超聲監(jiān)測：熱失控的檢測與預防。

以下文章來源于HEL Group ，作者H.E.L Group

前言

鋰離子電池熱失控預警是電池安全管理中的重要研究方向。鋰離子電池在使用過程中可能受到焦耳熱、反應熱和副反應熱等因素的影響，導致熱量積聚，進而使電池溫度不斷上升。在極端情況下，這種溫度異?？赡芤l(fā)熱失控，甚至導致爆炸等安全事故。此外，即使電池配備了安全閥，仍存在一定概率發(fā)生熱失控，且電池化學反應產(chǎn)生的易燃易爆氣體也會對系統(tǒng)安全構(gòu)成潛在威脅。因此，對鋰離子電池熱失控進行預警研究具有重要的現(xiàn)實意義。

目前，熱失控預警的特征與方法：

溫升速率：根據(jù)GB 38031－2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》，鋰電池熱失控的判定條件為溫升速率dT/dt≥1℃/s，且持續(xù)3s以上。

安全閥開啟特征：在熱失控過程中，電池安全閥開啟后表面溫度會出現(xiàn)下降現(xiàn)象。

多特征融合方法：有研究提出基于多特征融合的預警算法，如采用DTW-K-means算法區(qū)分異常鋰電池的溫升速率，并結(jié)合安全閥開啟后的溫度下降特征，有效檢測熱失控。

盡管鋰離子電池的發(fā)展迅速，但熱失控安全管理的研究仍存在不足。未來的研究方向包括：

• 探索更新的相似性匹配和聚類算法。

• 深入研究更多熱失控前期特征并進行多特征融合。

• 提升預警系統(tǒng)的實際應用性能和可靠性

案例：鋰離子電池內(nèi)部溫度的超聲監(jiān)測：熱失控的檢測與預防

背景:鋰離子電池（LIBs）在消費電子、電動汽車和固定儲能系統(tǒng)中得到了廣泛應用。然而，隨著其使用量的增加，尤其是二手電池在家庭儲能中的應用，安全性問題日益突出。熱失控是鋰離子電池的一個關鍵安全問題，可能導致難以控制的火災，造成嚴重的安全隱患。因此，開發(fā)一種能夠快速、低成本地監(jiān)測鋰離子電池內(nèi)部溫度動態(tài)的方法，并提前預警熱失控事件，是當前研究的迫切需求。

研究方法：研究團隊采用超聲波分析技術來監(jiān)測電池內(nèi)部的溫度變化和結(jié)構(gòu)變化。實驗使用了210mAh的軟包電池（LCO正極和石墨負極），通過超聲波探頭（5MHz）和超聲波探傷儀（EPOCH 650）進行測量。超聲波信號的傳播時間（ToF）被用來推斷電池內(nèi)部的溫度變化，因為聲速與材料的密度和彈性模量有關，而這些特性會隨溫度變化而改變。

實驗設計：電池充放電過程中的超聲波監(jiān)測：通過監(jiān)測電池在充放電過程中的超聲波信號變化，研究團隊發(fā)現(xiàn)電池內(nèi)部材料屬性的變化（如石墨負極的楊氏模量變化）會導致聲速變化，從而影響超聲波的ToF。

溫度預測模型：通過已知的電池狀態(tài)（如SoC和溫度），研究團隊建立了模型來預測超聲波信號的ToF變化，并驗證了該模型的準確性。

局部和均勻加熱實驗：通過局部加熱（使用加熱棒）和均勻加熱（使用溫度箱）的方式，模擬電池內(nèi)部的不均勻加熱和熱失控過程，研究超聲波信號如何響應這些變化。

結(jié)論： 超聲波監(jiān)測的靈敏性：超聲波技術能夠快速檢測到電池內(nèi)部的溫度變化，即使在表面溫度尚未顯著變化時也能捕捉到內(nèi)部的熱事件。這比傳統(tǒng)的表面溫度測量方法（如熱電偶）更靈敏。

多級預警系統(tǒng)：研究團隊提出了一個基于超聲波信號變化的多級預警系統(tǒng)：

• 一級預警：當超聲波信號的ToF超出正常操作范圍時觸發(fā)。

• 二級預警：當ToF與預測值偏離時觸發(fā)，表明內(nèi)部或不均勻加熱。

• 三級預警：當超聲波信號的第一回波峰消失時觸發(fā)，這通常表明電池內(nèi)部形成了氣體，可能導致熱失控。

實驗驗證：通過實驗，研究團隊證明了在熱失控發(fā)生之前，超聲波信號會發(fā)生顯著變化，這些變化可以作為早期預警信號。例如，在一個實驗中，當電池加熱到三級預警時停止加熱，電池并未進入不可逆的熱失控狀態(tài)，驗證了超聲波技術的有效性。

產(chǎn)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熱失控測試：

• 選擇待測試的鋰離子電池（如210mAh的軟包電池）

• 將電池放置在BTC-130的測試腔內(nèi)，確保電池與加熱元件和溫度傳感器的良好接觸。

• 在電池表面安裝超聲波探頭，用于實時監(jiān)測電池內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化。

• 在電池表面和加熱元件附近安裝熱電偶（K型），用于監(jiān)測電池表面和內(nèi)部的溫度變化。

• 確保所有傳感器和探頭連接到相應的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

• 使用BTC-130的加熱元件對電池進行加熱。加熱方式可以是整體加熱或局部加熱，具體取決于研究目的。

• 對于整體加熱，設置加熱速率為均勻升溫，確保電池整體溫度一致。

• 對于局部加熱，使用加熱元件對電池的特定區(qū)域進行加熱，模擬電池內(nèi)部的局部熱失控。

• 持續(xù)加熱電池，直至電池進入熱失控狀態(tài)。熱失控的特征包括溫度急劇上升、電池電壓下降、氣體釋放等。

• 在熱失控過程中，記錄超聲波信號的變化，特別是第一回波峰的消失，這通常表明電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的顯著變化（如氣體生成或電極層分離）。

來源

Owen, R. E., Wi?niewska, E., Braglia, M., Stocker, R., Shearing, P. R., Brett, D. J. L., & Robinson, J. B. (2024). Operando ultrasonic monitoring of the internal temperature of lithium-ion batteries for the detection and prevention of thermal runaway. Journal of The Electrochemical Society, 171(4), 040525.

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(mào)（北京）有限公司于 2020年在北京設立。

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