H.E.L 鋰離子電池電濫用研究——BTC-500 大電池絕熱加速量熱儀

鋰離子電池因其高能量密度、長循環(huán)壽命和良好的充放電性能，已成為電動(dòng)汽車、消費(fèi)電子和儲(chǔ)能系統(tǒng)中的主流電池技術(shù)。然而，鋰離子電池在濫用條件下（如過度充電和過度放電）可能引發(fā)嚴(yán)重的安全問題，包括熱失控、起火甚至爆炸。這些安全問題不僅威脅到用戶的安全，還可能阻礙鋰離子電池技術(shù)的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。為此研究者通過此方面研究，有助于深入理解電池在極端條件下的失效機(jī)制，從而為電池管理系統(tǒng)（BMS）的設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，以有效預(yù)防電池安全事故；可以優(yōu)化電池的充放電策略，合理控制充電電壓和放電深度，從而延長電池的循環(huán)壽命有助于發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有電池材料和結(jié)構(gòu)的不足，從而推動(dòng)新型電池材料和結(jié)構(gòu)的研發(fā)；可以提高電池的安全性和可靠性，從而推動(dòng)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

案例：鋰離子電池過充熱安全性研究

Ji, C., Zhang, S., Wang, B., Sun, J., Zhang, Z., & Liu, Y. (2022). Study on thermal safety of the overcharged lithium-ion battery. Fire Technology, 59, 1089–1114. 

背景:隨著生活水平的提高，汽車逐漸成為主要交通工具，對(duì)非可再生能源和環(huán)境造成了巨大壓力。新能源汽車作為替代傳統(tǒng)燃油車的解決方案，承擔(dān)著減少碳排放的任務(wù)。鋰離子電池因其高工作電壓、高能量密度、長循環(huán)壽命、無環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，成為電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的首選。然而，鋰離子電池在濫用條件下存在嚴(yán)重的安全問題，尤其是過充可能導(dǎo)致電池起火甚至爆炸，阻礙了電動(dòng)汽車的發(fā)展和普及。通過研究過充條件下的熱失控行為，可以更好地理解電池的安全特性，從而設(shè)計(jì)更安全的電池管理系統(tǒng)（BMS）。   

研究方法：選擇了三種商業(yè)化的鋰離子電池，包括軟包NCM-12 Ah、32650-LFP-5 Ah和方形LFP-20 Ah電池。通過實(shí)驗(yàn)研究不同充電速率下NCM電池的熱失

控行為，以及三種不同類型電池在1.00 C充電速率下的過充特性?；趯?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出一個(gè)新的指標(biāo)——過充程度，用于評(píng)估電池在不同過充條件下的安全狀態(tài)，為電池過充條件下的早期安全預(yù)警提供思路。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：NCM電池在不同充電速率下的熱安全特性：

• 隨著充電速率的增加，NCM電池的初始熱失控溫度逐漸降低，但2.00 C的初始熱失控溫度略低于1.50 C。

• 電池的最大熱失控溫度先增加后減少。

• 電壓在早期的上升速率隨充電速率的增加而增加。

• 電池在熱失控前的電壓先降低后增加。

• 總充電容量呈線性下降趨勢(shì)。

• 電池質(zhì)量損失先增加后減少，其中1.00 C過充后的質(zhì)量損失最大。

三種電池在1.00 C充電速率下的熱安全特性：

• 32,650電池的初始熱失控溫度最低。

• 方形LFP電池的最大熱失控溫度最高。

• 方形LFP電池的溫度變化率最大。

• 方形LFP電池的電壓首先降至0 V。

• NCM電池的過充時(shí)間最長。

結(jié)論：過充程度指標(biāo)：通過綜合分析過充電池特征參數(shù)的變化趨勢(shì)，引入了過充程度指標(biāo)，用于評(píng)估電池在不同過充條件下的安全狀態(tài)。當(dāng)過充程度大于0.4時(shí)，電池?zé)崾Э氐母怕试黾?，安全性降低?nbsp;   

熱失控行為：過充導(dǎo)致的熱失控行為與充電速率密切相關(guān)，高充電速率下電池的熱失控更為劇烈，安全性更低。

電池類型差異：不同類型的電池在過充條件下的熱失控行為存在差異，方形LFP電池在熱失控過程中表現(xiàn)出最高的溫度和最快的變化率，而32,650電池的初始熱失控溫度最低。

本文的研究為理解鋰離子電池在過充條件下的熱安全特性提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，并為電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和電池安全預(yù)警策略的制定提供了科學(xué)依據(jù)。通過引入過充程度指標(biāo)，為電池安全性能的評(píng)估提供了一個(gè)新的量化工具。          

熱失控實(shí)驗(yàn)：使用HEL BTC-500 大電池絕熱加速率量熱儀進(jìn)行進(jìn)行絕熱條件下的熱失控測(cè)試。

• 將電池放置在25°C的恒溫箱中，進(jìn)行0.50 C恒流放電至截止電壓，然后在恒溫箱中平衡1小時(shí)。

• 稱量電池初始重量。

• 將電池放入測(cè)試箱中，安裝溫度傳感器，連接電流線和電壓傳感器。

• 設(shè)置ARC控制軟件的實(shí)驗(yàn)步驟，包括初始溫度、校準(zhǔn)、等待、充電和冷卻階段。

• 啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后關(guān)閉軟件和設(shè)備，取出電池，測(cè)量實(shí)驗(yàn)后的質(zhì)量變化。

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(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(cè)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(cè)定及分子式識(shí)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(bào)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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