H.E.L鋰離子電池?zé)岚踩u估— BTC-130標(biāo)準(zhǔn)電池絕熱量熱儀的應(yīng)用

前言

鋰離子電池?zé)岚踩芯渴请姵乜茖W(xué)與工程領(lǐng)域的一個重要分支，主要關(guān)注鋰離子電池在各種工況下的熱行為、熱失控機(jī)制以及熱管理策略。近年來，鋰離子電池相關(guān)的安全事故頻發(fā)，如智能手機(jī)自燃、電動汽車起火等事件，引起了公眾的廣泛關(guān)注和擔(dān)憂。這些事故不僅對用戶的生命財產(chǎn)安全構(gòu)成威脅，也對相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了負(fù)面影響。通過深入研究鋰離子電池的熱安全特性，可以更好地理解熱失控的機(jī)理，從而開發(fā)出有效的預(yù)防措施。例如，改進(jìn)電池材料、優(yōu)化電池設(shè)計(jì)、完善電池管理系統(tǒng)（BMS）等，能夠有效降低熱失控的風(fēng)險。

提高電池的安全性可以增強(qiáng)公眾對鋰離子電池產(chǎn)品的信任，促進(jìn)消費(fèi)電子、電動汽車和儲能系統(tǒng)等產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。這對于推動新能源汽車的普及和可再生能源的廣泛應(yīng)用具有重要意義。

案例：鋰離子電池全生命周期熱安全演化機(jī)理及無損評價

背景:隨著環(huán)境污染和能源短缺問題的日益突出，全球能源結(jié)構(gòu)正向清潔、低碳、智能、高效和經(jīng)濟(jì)安全的方向轉(zhuǎn)型。電動汽車作為能源轉(zhuǎn)型的重要組成部分，其核心部件鋰離子電池的安全性問題成為制約電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。電池?zé)崾Э厥录赡軐?dǎo)致嚴(yán)重的人員傷亡和財產(chǎn)損失，降低消費(fèi)者對電動汽車的信心。因此，研究鋰離子電池在全生命周期內(nèi)的熱安全演變機(jī)制，并開發(fā)非破壞性的熱安全評估方法，對于保障電動汽車的安全運(yùn)行至關(guān)重要。

研究方法：設(shè)計(jì)了四種不同的電池老化路徑：低溫循環(huán)（-10℃/0.5C，LTC）、高倍率循環(huán)（25℃/5C，HRC）、高溫循環(huán)（60℃/0.5C，HTC）和高溫存儲（60℃/100% SOC，HTR），以模擬電池在實(shí)際使用中的不同工況。通過加速量熱儀（ARC）進(jìn)行絕熱熱失控測試，結(jié)合電化學(xué)阻抗譜（EIS）、增量容量（IC）和差分熱伏安法（DTV）等多維電化學(xué)測試，以及掃描電子顯微鏡（SEM）、能量色散光譜（EDS）、X射線光電子能譜（XPS）和X射線衍射（XRD）等多種表征手段，全面分析了電池在不同老化路徑下的熱安全演變機(jī)制。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

電化學(xué)性能退化行為：研究發(fā)現(xiàn)，隨著電池老化，不同老化路徑下的電池電化學(xué)阻抗譜（EIS）逐漸向正實(shí)軸偏移，中高頻區(qū)域的弧徑顯著增大，表明電池內(nèi)阻增加，尤其是電荷轉(zhuǎn)移阻抗。通過分布松弛時間（DRT）計(jì)算和等效電路模型擬合，進(jìn)一步量化了不同老化路徑對電池內(nèi)阻的影響。增量容量（IC）曲線和差分熱伏安法（DTV）曲線的變化表明，低溫循環(huán)和高倍率循環(huán)路徑下，鋰離子在石墨中的嵌入/脫嵌過程受到嚴(yán)重影響，而高溫循環(huán)和高溫存儲路徑下，電池的熱穩(wěn)定性下降更為顯著。

熱失控特性：通過ARC測試，研究者們發(fā)現(xiàn)，與新鮮電池相比，老化電池的自加熱初始溫度（T1）和熱失控觸發(fā)溫度（T2）顯著降低，表明電池?zé)岱€(wěn)定性下降。特別是在低溫循環(huán)和高倍率循環(huán)路徑下，T1和T2的下降更為明顯。此外，電池的最大溫度（T3）和最大溫升速率（Max dT/dt）也隨著老化而降低，表明電池的熱危害性降低。

老化機(jī)制分析：通過SEM、EDS、XPS和XRD等表征手段，研究者們發(fā)現(xiàn)鋰離子電池的老化機(jī)制主要與鋰金屬的沉積（鋰金屬化）有關(guān)。在低溫循環(huán)和高倍率循環(huán)路徑下，鋰金屬化現(xiàn)象更為嚴(yán)重，導(dǎo)致電池內(nèi)阻增加和熱穩(wěn)定性下降。而在高溫循環(huán)和高溫存儲路徑下，鋰金屬化現(xiàn)象相對較輕，但電池的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受到更大影響，導(dǎo)致熱穩(wěn)定性下降。

電池組件的熱穩(wěn)定性：通過差示掃描量熱法（DSC）和ARC測試，研究者們分析了不同老化路徑下電池組件（包括正極、負(fù)極、隔膜等）的熱穩(wěn)定性。結(jié)果表明，不同老化路徑對電池組件的熱穩(wěn)定性有不同的影響，尤其是在高溫條件下，電池組件的熱穩(wěn)定性下降更為顯著。

結(jié)論： 

鋰金屬化是關(guān)鍵老化機(jī)制：鋰金屬化是導(dǎo)致鋰離子電池?zé)岚踩阅芟陆档墓餐P(guān)鍵機(jī)制。在低溫循環(huán)和高倍率循環(huán)路徑下，鋰金屬化現(xiàn)象更為嚴(yán)重，導(dǎo)致電池內(nèi)阻增加和熱穩(wěn)定性顯著下降。

熱穩(wěn)定性下降與電化學(xué)性能退化同步：電池的老化導(dǎo)致熱穩(wěn)定性下降的同時，電化學(xué)性能也顯著退化，如內(nèi)阻增加、IC曲線谷值深度變化和DTV曲線峰谷斜率變化等。

非破壞性熱安全評估方法：基于老化機(jī)制同時影響電化學(xué)特性和熱安全特性的原理，研究者們建立了電化學(xué)特性觀察指標(biāo)與熱安全特性參數(shù)之間的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了鋰離子電池全生命周期內(nèi)的非破壞性熱安全評估。 

產(chǎn)品推薦：

熱失控實(shí)驗(yàn)：使用HEL BTC-130標(biāo)準(zhǔn)電池絕熱加速量熱儀進(jìn)行絕熱條件下熱失控測試：

• 定制的鋰離子電池（如軟包電池）l將測試電池在25℃環(huán)境下靜置24小時，以確保電池處于穩(wěn)定狀態(tài)。

• 使用恒流恒壓充電器將電池充電至滿電狀態(tài)（如4.2V），充電電流為0.33C。

• 設(shè)置初始溫度（如35℃），并進(jìn)行初始校準(zhǔn)，記錄電池的初始溫度和自加熱率。

• 當(dāng)自加熱率超過0.02℃/min時，設(shè)備進(jìn)入跟蹤階段，記錄電池的溫度變化。

• 設(shè)備會持續(xù)跟蹤電池的自加熱過程，直到電池溫度達(dá)到熱失控階段。

• 記錄電池的自加熱初始溫度（T1）、熱失控觸發(fā)溫度（T2）、最大溫度（T3）和最大溫升速率（Max dT/dt）。

• 分析熱失控過程中電池的溫度變化曲線，評估電池的熱安全性能。

來源:Zhang, G., Wei, X., Wang, X., Chen, S., Zhu, J., & Dai, H. (2024). Evolution mechanism and non-destructive assessment of thermal safety for lithium-ion batteries during the whole lifecycle. Nano Energy, 126, 109621.

關(guān)于HEL：

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)危害評估的專業(yè)咨詢機(jī)構(gòu)，對研究機(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。

　　主要代理產(chǎn)品：GC/MS/MS,LC/MS/MS新機(jī)租賃業(yè)務(wù)/LUMTECH循環(huán)制備液相/靜音型雙頻超聲清洗/Knauer研發(fā)，中試和生產(chǎn)脂質(zhì)納米顆粒（LNP)碰撞噴射混合器系統(tǒng)/冰點(diǎn)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?dú)?，超高純氫氣氣體發(fā)生器，液氮發(fā)生器/Cytiva生命科學(xué)設(shè)備/LabOS實(shí)驗(yàn)室運(yùn)營系統(tǒng)/MassWorks準(zhǔn)確質(zhì)量數(shù)測定及分子式識別系統(tǒng)/MsMetrix氣質(zhì)香精香料分析軟件/Sin-QuEChERS農(nóng)殘凈化柱/制藥企業(yè)質(zhì)量回顧性報告系統(tǒng)（QRS)/英國赫伊爾生物反應(yīng)器，電池絕熱量熱、催化劑合成。

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