H.E.L 鋰電池?zé)崾Э匮芯?—BTC-500 大電池絕熱量熱儀

近年來(lái)，電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能系統(tǒng)中的鋰離子電池安全事故頻發(fā)，引起了公眾的廣泛關(guān)注。例如，2021年4月，中國(guó)北京大紅門的一起25MWh儲(chǔ)能系統(tǒng)爆炸事故導(dǎo)致多人傷亡。這些事故凸顯了鋰離子電池安全問(wèn)題的嚴(yán)重性，迫切需要深入研究以提高電池的安全性。

隨著電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，對(duì)鋰離子電池的能量密度和安全性提出了更高的要求。研究熱失控機(jī)制和排氣氣體的爆炸特性，有助于開發(fā)更安全、更可靠的電池技術(shù)。鋰離子電池是一個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)系統(tǒng)，涉及多種材料和反應(yīng)機(jī)制。深入研究熱失控過(guò)程中的物理和化學(xué)變化，有助于揭示電池失效的內(nèi)在機(jī)制，為電池設(shè)計(jì)和安全防護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

案例：從鋰離子電池固有安全性能和排氣爆炸危害兩方面全面剖析了鋰離子電池?zé)崾Э貑?wèn)題

Wei, G., Huang, R., Zhang, G., Jiang, B., Zhu, J., Guo, Y., Han, G., Wei, X., & Dai, H. (2023). A comprehensive insight into the thermal runaway issues in the view of lithium-ion battery intrinsic safety performance and venting gas explosion hazards. Applied Energy, 349, 121651. 

背景:鋰離子電池因其高能量密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命和相對(duì)較低的自放電率，被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車（EVs）、消費(fèi)電子和大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS）。然而，隨著電池能量密度的不斷提高，電池安全問(wèn)題日益突出。熱失控是鋰離子電池的一種災(zāi)難性失效模式，通常由機(jī)械濫用、電氣濫用和熱濫用引起，表現(xiàn)為溫度急劇上升、電壓陡降、可燃有毒氣體釋放、噴射火和爆炸等。這些現(xiàn)象不僅會(huì)損壞電池本身，還可能引發(fā)火災(zāi)和爆炸，對(duì)人員和財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。    

研究方法：實(shí)驗(yàn)對(duì)象：研究使用了商業(yè)尺寸的鋰離子電池，包括LFP和不同鎳含量的NCM電池，以及微過(guò)充電的電池單元。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：使用絕熱加速量熱儀（ARC）觸發(fā)電池的熱失控，并收集排氣氣體進(jìn)行氣相色譜分析。

實(shí)驗(yàn)步驟：所有電池樣本被充電至100%的荷電狀態(tài)（SoC），然后在ARC中進(jìn)行絕熱條件下的熱失控測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中收集電池表面溫度、電壓和排氣氣體等數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：熱失控特征參數(shù)：通過(guò)分析電池在熱失控過(guò)程中的電熱響應(yīng)曲線，提取了多個(gè)特征參數(shù)，包括自加熱溫度（T1）、熱失控觸發(fā)溫度（T2）、最大溫度（Tmax）和最大溫升率（Rmax）。

電池安全性能評(píng)估：基于上述特征參數(shù)，提出了電池安全性能的評(píng)估方法，包括熱失控容忍度（TR tolerance）和熱失控危險(xiǎn)性（TR hazards）兩個(gè)指標(biāo)。

排氣氣體成分和爆炸特性：通過(guò)氣相色譜分析，確定了排氣氣體的主要成分，包括氫氣（H2）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）和烴類氣體。并計(jì)算了排氣氣體的爆炸下限（LEL）。

結(jié)論：電池內(nèi)在安全性能：

• LFP電池顯示出比NCM電池更高的熱失控容忍度，而NCM電池的熱失控危險(xiǎn)性更高，且隨著鎳含量的增加而加劇。

• 微過(guò)充電導(dǎo)致NCM電池的熱失控容忍度和危險(xiǎn)性降低，但對(duì)排氣氣體的LEL值影響不大。

排氣氣體爆炸危險(xiǎn)性：

• LFP電池的排氣氣體中氫氣和烴類氣體含量較高，LEL值較低，表明其排氣氣體爆炸風(fēng)險(xiǎn)更高。

• NCM電池的排氣氣體中CO和CO₂含量較高，LEL值隨著鎳含量的增加而增加，表明高鎳含量的NCM電池排氣氣體爆炸風(fēng)險(xiǎn)較低。

電池安全設(shè)計(jì)建議：

• 在電池模塊和電池組級(jí)別，應(yīng)通過(guò)合理設(shè)計(jì)排氣閥和特定流量的氣流沖洗來(lái)稀釋排氣氣體濃度，以降低爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

• 在下一代電池安全保護(hù)設(shè)計(jì)中，可以應(yīng)用“熱電分離”概念，即電池極柱和安全閥分布在相對(duì)或相鄰的兩側(cè)，結(jié)合定向壓力釋放通道，顯著避免因排氣混合物引起的二次爆炸危害。

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。

• 所有電池樣本被充電至100%的荷電狀態(tài)（SoC），使用恒流-恒壓（CC-CV）充電協(xié)議（在上限截止電壓下恒壓充電，直到電流低于0.05C）。

• 在測(cè)試前，將電池用加熱絲包裹，以實(shí)現(xiàn)均勻加熱，并懸掛在ARC腔室的蓋子上。然后用螺栓密封ARC腔室。

• 在電池表面和腔室內(nèi)布置多個(gè)K型熱電偶，用于監(jiān)測(cè)電池在熱失控過(guò)程中的表面溫度和環(huán)境溫度。同時(shí)，通過(guò)電壓采樣線連接電池極耳，記錄電池電壓。

• 在ARC的壓力釋放閥上連接一個(gè)鋁塑氣體采樣袋，用于收集熱失控后釋放的氣體。                        

Hazard Evaluation Laboratories 

成立于1987年，總部設(shè)在倫敦，在中國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程工藝優(yōu)化及反應(yīng)危害評(píng)估設(shè)備的國(guó)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(jiǎn)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(guó)F-DGSi氮?dú)猓呒儦錃鈿怏w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(yíng)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(guó)赫伊爾生物反應(yīng)器，電池絕熱量熱、催化劑合成。

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