H.E.L 鋰電池熱失控研究 —BTC-500 大電池絕熱量熱儀

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

隨著電動汽車和儲能系統(tǒng)的廣泛應用，對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。鋰離子電池是一個復雜的電化學系統(tǒng)，涉及多種材料和反應機制。深入研究熱失控過程中的物理和化學變化，有助于揭示電池失效的內(nèi)在機制，為電池設計和安全防護提供科學依據(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熱失控問題

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、長循環(huán)壽命和相對較低的自放電率，被廣泛應用于電動汽車（EVs）、消費電子和大規(guī)模儲能系統(tǒng)（ESS）。然而，隨著電池能量密度的不斷提高，電池安全問題日益突出。熱失控是鋰離子電池的一種災難性失效模式，通常由機械濫用、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)象不僅會損壞電池本身，還可能引發(fā)火災和爆炸，對人員和財產(chǎn)安全構成嚴重威脅。    

研究方法：實驗對象：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，以及微過充電的電池單元。

實驗設備：使用絕熱加速量熱儀（ARC）觸發(fā)電池的熱失控，并收集排氣氣體進行氣相色譜分析。

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

實驗結(jié)果：熱失控特征參數(shù)：通過分析電池在熱失控過程中的電熱響應曲線，提取了多個特征參數(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）。

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

排氣氣體成分和爆炸特性：通過氣相色譜分析，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電池的熱失控危險性更高，且隨著鎳含量的增加而加劇。

• 微過充電導致NCM電池的熱失控容忍度和危險性降低，但對排氣氣體的LEL值影響不大。

排氣氣體爆炸危險性：

• 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險更高。

• 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險較低。

電池安全設計建議：

• 在電池模塊和電池組級別，應通過合理設計排氣閥和特定流量的氣流沖洗來稀釋排氣氣體濃度，以降低爆炸風險。

• 在下一代電池安全保護設計中，可以應用“熱電分離”概念，即電池極柱和安全閥分布在相對或相鄰的兩側(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。

熱失控實驗：使用HEL BTC-500大電池絕熱加速率量熱儀進行進行絕熱條件下的熱失控測試。

• 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）。

• 在測試前，將電池用加熱絲包裹，以實現(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K型熱電偶，用于監(jiān)測電池在熱失控過程中的表面溫度和環(huán)境溫度。同時，通過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年在北京設立。H.E.L最初是一家過程工藝優(yōu)化及反應危害評估的專業(yè)咨詢機構，對研究機構和生產(chǎn)企業(yè)承接工藝過程研發(fā)項目；同時提供安全咨詢，包括事故調(diào)查、HAZOP研究、安全設施的設計及制度管理等。目前，H.E.L是全球首屈一指的過程工藝及安全專業(yè)咨詢機構，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)化及反應危害評估設備的國際集團企業(yè)。關于綠綿科技

　　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)客戶服務價值為宗旨，以專業(yè)精神和技能為廣大實驗室分析工作者提供樣品前處理、樣品制備及分析、實驗數(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新機租賃業(yè)務/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氮氣，超高純氫氣氣體發(fā)生器，液氮發(fā)生器/Cytiva生命科學設備/LabOS實驗室運營系統(tǒng)/MassWorks準確質(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器，電池絕熱量熱、催化劑合成。

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