H.E.L 鋰離子電池?zé)崾Э匮芯?—BTC-130 標(biāo)準(zhǔn)電池絕熱量熱儀

鋰離子電池在使用過程中可能會(huì)因機(jī)械濫用（如碰撞、擠壓、穿刺）、電濫用（如過充、過放、過流）和熱濫用（如高溫環(huán)境）等因素引發(fā)熱失控。熱失控會(huì)導(dǎo)致電池溫度急劇上升，進(jìn)而引發(fā)電池起火、爆炸等安全事故，嚴(yán)重威脅人身和財(cái)產(chǎn)安全。為此研究者希望通過熱失控模型的研究來(lái)降低鋰離子電池在使用過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)：

揭示熱失控機(jī)理：通過建立熱失控模型，深入研究鋰離子電池在不同濫用條件下的熱失控觸發(fā)機(jī)制、演化過程以及內(nèi)部的物理化學(xué)變化，明確各因素之間的相互作用。

預(yù)測(cè)熱失控行為：利用模型對(duì)電池在特定條件下的熱失控行為進(jìn)行預(yù)測(cè)，包括溫度變化、壓力變化、氣體生成等，以便提前采取措施防止事故的發(fā)生。

優(yōu)化電池設(shè)計(jì)與熱管理：基于模型的研究結(jié)果，為電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇以及熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論依據(jù)，提高電池系統(tǒng)的安全性。

通過此研究減少因熱失控引發(fā)的火災(zāi)、爆炸等事故，保障用戶的生命和財(cái)產(chǎn)安全，為新能源汽車、儲(chǔ)能系統(tǒng)等領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用提供技術(shù)支持，促進(jìn)鋰離子電池行業(yè)的健康發(fā)展。 

案例：磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э芈窂降脑敿?xì)建模研究

Kwak, E., Kim, J.-h., Hong, S. H., & Oh, K.-Y. (2021). Detailed modeling investigation of thermal runaway pathways of a lithium iron phosphate battery. International Journal of Energy Research. 

背景:鋰離子電池（LIBs）因其高能量密度、低自放電率和長(zhǎng)循環(huán)壽命等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于從小型便攜電子設(shè)備到大型電動(dòng)車輛（xEVs）和能源存儲(chǔ)系統(tǒng)（ESSs）。然而，LIBs中的熱失控（TR）可能導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸，對(duì)生命和財(cái)產(chǎn)構(gòu)成威脅。盡管LIBs的TR事故罕見，但其低概率事件仍阻礙了LIB市場(chǎng)的擴(kuò)張。磷酸鐵鋰LFP電池是熱穩(wěn)定性最高的LIBs，但它們?cè)跒E用條件下仍會(huì)發(fā)生TR。 

研究方法：

• 文章提出了一個(gè)多物理場(chǎng)TR模型，考慮了化學(xué)反應(yīng)、熱力學(xué)和老化，并使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

• 模型包括三個(gè)子模型：化學(xué)反應(yīng)降解模型、熱力學(xué)模型和老化模型。

• 化學(xué)反應(yīng)降解模型計(jì)算了SEI層、負(fù)極、正極和電解液的化學(xué)熱生成。

• 熱力學(xué)模型考慮了電池內(nèi)部的熱生成和傳導(dǎo)，以及電池與環(huán)境之間的熱對(duì)流。

• 老化模型假設(shè)SEI層的生長(zhǎng)是老化的主要機(jī)制，并考慮了SEI層厚度的演變。

實(shí)驗(yàn)：

• 實(shí)驗(yàn)部分包括自加熱實(shí)驗(yàn)、老化實(shí)驗(yàn)和烤箱測(cè)試，用于獲取模型校準(zhǔn)和驗(yàn)證所需的數(shù)據(jù)。

• 自加熱實(shí)驗(yàn)使用電池測(cè)試量熱儀（BTC）進(jìn)行，以獲取化學(xué)反應(yīng)模型的參數(shù)。

• 老化實(shí)驗(yàn)通過測(cè)量電池在循環(huán)過程中的機(jī)械演變來(lái)確定老化模型的參數(shù)。

• 烤箱測(cè)試用于確定熱力學(xué)參數(shù)，并驗(yàn)證提出的模型。    

  
  

結(jié)論：

• 操作依賴性：在電濫用條件下，C率（充電速率）和冷卻條件對(duì)TR路徑有顯著影響。高C率會(huì)導(dǎo)致TR更快發(fā)生，且溫度更高。而強(qiáng)冷卻可以降低TR的峰值溫度并推遲TR的開始時(shí)間。

  
  

• 尺寸依賴性：在熱濫用條件下，電池的尺寸對(duì)TR路徑有顯著影響。較小的電池尺寸（較大的表面積與體積比，S/V）會(huì)導(dǎo)致更快的TR發(fā)生，而較大的電池尺寸則會(huì)延遲TR。這一現(xiàn)象主要源于電池與環(huán)境之間的熱交換。

• 老化影響：老化對(duì)TR路徑的影響在電濫用和熱濫用條件下有所不同。在電濫用條件下，老化主要影響TR的峰值溫度；而在熱濫用條件下，老化主要影響TR的開始時(shí)間。這種差異歸因于不同的熱源和熱平衡機(jī)制。

研究意義：

• 該研究通過詳細(xì)的建模分析，為L(zhǎng)FP電池的設(shè)計(jì)和熱管理策略的開發(fā)提供了重要的理論支持。

• 研究結(jié)果有助于確保LFP電池的熱穩(wěn)定性和可靠性，對(duì)于推動(dòng)LFP電池在各種應(yīng)用中的安全使用具有重要意義。

熱失控實(shí)驗(yàn)：

• 設(shè)備：使用BTC-130 標(biāo)準(zhǔn)電池絕熱量熱儀進(jìn)行熱失控測(cè)試，通過測(cè)量電池在加熱過程中的溫度變化，確定熱失控的起始溫度、峰值溫度等關(guān)鍵參數(shù)。

• LFP電池充滿電，100%SOC,將電池放置在BTC測(cè)試裝置的中心位置。   

• 將BTC測(cè)試裝置的初始溫度設(shè)置為30℃。

• 采用“加熱-等待-搜索”（Heat-Wait-Search, HWS）程序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

• 在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，使用數(shù)據(jù)記錄儀以1 Hz的采樣率記錄電池表面溫度。

• 通過分析溫度數(shù)據(jù)，確定熱失控的關(guān)鍵參數(shù)，如起始溫度（Tonset）、峰值溫度（Tpeak）等。

• 記錄每個(gè)溫度點(diǎn)的溫度變化曲線，以便后續(xù)分析電池在不同溫度下的熱失控行為。

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(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)?，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(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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