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因機械濫用（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。熱失控會導(dǎo)致電池溫度急劇上升，進而引發(fā)電池起火、爆炸等安全事故，嚴(yán)重威脅人身和財產(chǎn)安全。為此研究者希望通過熱失控模型的研究來降低鋰離子電池在使用過程中的安全風(fēng)險：

揭示熱失控機理：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)測熱失控行為：利用模型對電池在特定條件下的熱失控行為進行預(yù)測，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、材料選擇以及熱管理系統(tǒng)的設(shè)計和優(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產(chǎn)安全，為新能源汽車、儲能系統(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、低自放電率和長循環(huán)壽命等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于從小型便攜電子設(shè)備到大型電動車輛（xEVs）和能源存儲系統(tǒng)（ESSs）。然而，LIBs中的熱失控（TR）可能導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸，對生命和財產(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市場的擴張。磷酸鐵鋰LFP電池是熱穩(wěn)定性最高的LIBs，但它們在濫用條件下仍會發(fā)生TR。 

研究方法：

• 文章提出了一個多物理場TR模型，考慮了化學(xué)反應(yīng)、熱力學(xué)和老化，并使用實驗數(shù)據(jù)進行驗證。

• 模型包括三個子模型：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)境之間的熱對流。

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

實驗：

• 實驗部分包括自加熱實驗、老化實驗和烤箱測試，用于獲取模型校準(zhǔn)和驗證所需的數(shù)據(jù)。

• 自加熱實驗使用電池測試量熱儀（BTC）進行，以獲取化學(xué)反應(yīng)模型的參數(shù)。

• 老化實驗通過測量電池在循環(huán)過程中的機械演變來確定老化模型的參數(shù)。

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

  
  

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TR路徑有顯著影響。高C率會導(dǎo)致TR更快發(fā)生，且溫度更高。而強冷卻可以降低TR的峰值溫度并推遲TR的開始時間。

  
  

• 尺寸依賴性：在熱濫用條件下，電池的尺寸對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）會導(dǎo)致更快的TR發(fā)生，而較大的電池尺寸則會延遲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的開始時間。這種差異歸因于不同的熱源和熱平衡機制。

研究意義：

• 該研究通過詳細(xì)的建模分析，為LFP電池的設(shè)計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，對于推動LFP電池在各種應(yīng)用中的安全使用具有重要意義。

熱失控實驗：

• 設(shè)備：使用BTC-130 標(biāo)準(zhǔn)電池絕熱量熱儀進行熱失控測試，通過測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測試裝置的中心位置。   

• 將BTC測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）程序進行實驗。

• 在整個實驗過程中，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。

• 記錄每個溫度點的溫度變化曲線，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、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)咨詢機構(gòu)，對研究機構(gòu)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(shè)施的設(shè)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(gòu)，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(yīng)危害評估設(shè)備的國際集團企業(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。

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