H.E.L 圓柱鋰離子電池?zé)崾Э匮芯俊狟TC-130 標(biāo)準(zhǔn)電池絕熱量熱儀

2024年1-9月，全球圓柱電池出貨量達(dá)到115億只，全年達(dá)到145億只，同比增幅超過11.9%。其中，大圓柱型號（如32/40/46/60系列）增速超過50%，表現(xiàn)亮眼。全極耳技術(shù)成為圓柱電池的應(yīng)用大趨勢，顯著提升了小圓柱電池（如18系列和21系列）的性能。2024年1-9月，18系列圓柱電池出貨59.56億只，占比52.01%；21系列圓柱電池出貨49.67億只，占比43.37%。預(yù)計(jì)到2025年，全球圓柱電池出貨量將達(dá)到195億只。其中，中國圓柱市場將達(dá)到79.4億只。大圓柱電池（如4680、4695等型號）將成為未來市場的主流，尤其在電動汽車領(lǐng)域。預(yù)計(jì)到2025年，全球大圓柱電池的市場需求有望達(dá)到144.2GWh至235GWh。

與此同時(shí)圓柱鋰離子安全問題研究同樣吸引人們的關(guān)注，對其熱失控特性研究并促進(jìn)其提高安全性對企業(yè)及市場有著重要的意義。

案例：圓柱形鋰離子電池?zé)崾Э丶芭R界特性比較研究：綜述

Li, W., Wang, J., Sun, C., Fan, X., Gong, L., Huang, J., ... & Duh, Y. S. (2025). Comparison on Thermal Runaway and Critical Characteristics of Cylindrical Lithium-Ion Batteries: A Review. ACS Chemical Health & Safety.

背景:隨著能源危機(jī)和全球氣候變化的加劇，人類迫切需要從傳統(tǒng)化石燃料轉(zhuǎn)向可再生能源。鋰離子電池（LIBs）因其高能量密度、長循環(huán)壽命和緊湊尺寸，在便攜電子設(shè)備、電動汽車（EVs）、混合動力電動汽車（HEVs）和能源存儲系統(tǒng)（ESSs）中得到了廣泛應(yīng)用。然而，LIBs的安全性問題，尤其是熱失控行為，成為限制其進(jìn)一步應(yīng)用的關(guān)鍵因素。近年來，多起由LIBs引發(fā)的火災(zāi)和爆炸事故引起了廣泛關(guān)注，因此，研究LIBs的熱失控特性并提高其安全性具有重要意義。    

研究方法：

• 文章通過整合國際實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)，對不同尺寸的圓柱形LIBs在100%充電狀態(tài)（SOC）下的六種熱危害參數(shù)進(jìn)行了分析：起始溫度（Tonset）、臨界溫度（Tcr）、最高溫度（Tmax）、最大自發(fā)熱速率（(dT/dt)max）、非冷凝氣體釋放量（Δn）和焓變（ΔH）。

• 使用加速絕熱量熱儀（ARC）和進(jìn)絕熱量熱儀（PAC）來評估電池的熱危害，并建立了熱分析數(shù)據(jù)庫，對臨界溫度進(jìn)行了分類。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

• 熱危害排序：通過對不同尺寸和化學(xué)成分的圓柱形LIBs的熱危害數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出熱危害排序?yàn)?1700 > 18650非LFP ? 26650 LFP > 14500非LFP > 18650 LFP > 14500 LFP。

• 起始溫度（Tonset）：21700 NMC電池的最低Tonset為88.0℃，而18650 LFP電池的最高Tonset為220.0℃。

• 臨界溫度（Tcr）：21700 NCA電池的最低Tcr為145.5℃，而14500和18650 LFP電池沒有觀察到Tcr。

• 最高溫度（Tmax）：21700 NCA電池的最高Tmax為1257.9℃，而18650 LFP電池的最低Tmax為243.2℃。    

• 最大自發(fā)熱速率（(dT/dt)max）：21700 NCA電池的最高(dT/dt)max為64536.0℃ min?1，而18650 LFP電池的最低(dT/dt)max為3.0℃ min-1。

• 非冷凝氣體釋放量（Δn）：18650 NCA電池的最高Δn為314.0 mmol，而14500 LFP電池的最低Δn為23.3 mmol。

• 焓變（ΔH）：21700 NCA電池的最高ΔH為70.5 kJ，而14500 LFP電池的最低ΔH為0.8 kJ。

結(jié)論：

• 文章指出，21700電池由于采用了高能量密度的LiNi0.8Co0.15Al0.05O2（NCA）和LiNixMnyCozO2（NMC）正極材料，表現(xiàn)出最嚴(yán)重的熱失控后果。

• 臨界溫度Tcr和最大溫度Tmax的分布較廣，且大多數(shù)最大自發(fā)熱速率（dT/dt）和壓力數(shù)據(jù)在文獻(xiàn)中缺失。

• 不同研究者對起始溫度、臨界溫度、觸發(fā)溫度以及可能引發(fā)嚴(yán)重?zé)崾Э氐臒嵩吹亩x存在顯著差異，這增加了研究的復(fù)雜性

• 文章還討論了熱失控的可能機(jī)制，包括內(nèi)部短路、氣體沖擊或電子擊穿等，這些因素可能導(dǎo)致隔膜熔化后引發(fā)熱失控。

總結(jié)：

• 文章通過總結(jié)100% SOC圓柱形LIBs的熱失控?cái)?shù)據(jù)，構(gòu)建了包含六種危害數(shù)據(jù)的箱線圖，并對圓柱形LIBs的熱危害進(jìn)行了分析和分類。研究表明，NCA和NMC材料廣泛應(yīng)用于21700和18650電池中，但在100% SOC下的熱失控風(fēng)險(xiǎn)是不可接受的。文章強(qiáng)調(diào)了準(zhǔn)確獲取熱危害數(shù)據(jù)的重要性，并指出了熱失控觸發(fā)原因、起始溫度、熱失控能量學(xué)和臨界點(diǎn)定義的不確定性，這些因素嚴(yán)重阻礙了本質(zhì)安全LIBs的發(fā)展。

• 文章提出了未來研究的方向，包括提高熱電偶與電池接觸的穩(wěn)定性，以獲得更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)；設(shè)計(jì)支撐框架或彈丸以增強(qiáng)信號噪聲比；防止鋰電鍍引起的熱失控；進(jìn)一步探索低Tcr背后的化學(xué)和物理現(xiàn)象；結(jié)合多信號參數(shù)和新方法（如高速CT或聲學(xué)光譜學(xué)）來研究失效機(jī)制；以及設(shè)計(jì)具有更穩(wěn)定化學(xué)和更安全內(nèi)部布局的下一代21700 LIBs。          

絕熱實(shí)驗(yàn)：使用BTC-130標(biāo)準(zhǔn)電池絕熱量熱儀對圓柱電池進(jìn)行熱失控研究：

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(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。

　　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)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(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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