H.E.L锂离子电池热失控预警研究— BTC-130标准电池绝热量热仪的应用

编者荐语：

锂离子电池热失控预警是电池安全管理中的重要研究方向。本文分享了BTC-130 标准电池绝热量热仪的应用案例：锂离子电池内部温度的超声监测：热失控的检测与预防。

以下文章来源于HEL Group ，作者H.E.L Group

前言

锂离子电池热失控预警是电池安全管理中的重要研究方向。锂离子电池在使用过程中可能受到焦耳热、反应热和副反应热等因素的影响，导致热量积聚，进而使电池温度不断上升。在极端情况下，这种温度异常可能引发热失控，甚至导致爆炸等安全事故。此外，即使电池配备了安全阀，仍存在一定概率发生热失控，且电池化学反应产生的易燃易爆气体也会对系统安全构成潜在威胁。因此，对锂离子电池热失控进行预警研究具有重要的现实意义。

目前，热失控预警的特征与方法：

温升速率：根据GB 38031－2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》，锂电池热失控的判定条件为温升速率dT/dt≥1℃/s，且持续3s以上。

安全阀开启特征：在热失控过程中，电池安全阀开启后表面温度会出现下降现象。

多特征融合方法：有研究提出基于多特征融合的预警算法，如采用DTW-K-means算法区分异常锂电池的温升速率，并结合安全阀开启后的温度下降特征，有效检测热失控。

尽管锂离子电池的发展迅速，但热失控安全管理的研究仍存在不足。未来的研究方向包括：

• 探索更新的相似性匹配和聚类算法。

• 深入研究更多热失控前期特征并进行多特征融合。

• 提升预警系统的实际应用性能和可靠性

案例：锂离子电池内部温度的超声监测：热失控的检测与预防

背景:锂离子电池（LIBs）在消费电子、电动汽车和固定储能系统中得到了广泛应用。然而，随着其使用量的增加，尤其是二手电池在家庭储能中的应用，安全性问题日益突出。热失控是锂离子电池的一个关键安全问题，可能导致难以控制的火灾，造成严重的安全隐患。因此，开发一种能够快速、低成本地监测锂离子电池内部温度动态的方法，并提前预警热失控事件，是当前研究的迫切需求。

研究方法：研究团队采用超声波分析技术来监测电池内部的温度变化和结构变化。实验使用了210mAh的软包电池（LCO正极和石墨负极），通过超声波探头（5MHz）和超声波探伤仪（EPOCH 650）进行测量。超声波信号的传播时间（ToF）被用来推断电池内部的温度变化，因为声速与材料的密度和弹性模量有关，而这些特性会随温度变化而改变。

实验设计：电池充放电过程中的超声波监测：通过监测电池在充放电过程中的超声波信号变化，研究团队发现电池内部材料属性的变化（如石墨负极的杨氏模量变化）会导致声速变化，从而影响超声波的ToF。

温度预测模型：通过已知的电池状态（如SoC和温度），研究团队建立了模型来预测超声波信号的ToF变化，并验证了该模型的准确性。

局部和均匀加热实验：通过局部加热（使用加热棒）和均匀加热（使用温度箱）的方式，模拟电池内部的不均匀加热和热失控过程，研究超声波信号如何响应这些变化。

结论： 超声波监测的灵敏性：超声波技术能够快速检测到电池内部的温度变化，即使在表面温度尚未显著变化时也能捕捉到内部的热事件。这比传统的表面温度测量方法（如热电偶）更灵敏。

多级预警系统：研究团队提出了一个基于超声波信号变化的多级预警系统：

• 一级预警：当超声波信号的ToF超出正常操作范围时触发。

• 二级预警：当ToF与预测值偏离时触发，表明内部或不均匀加热。

• 三级预警：当超声波信号的第一回波峰消失时触发，这通常表明电池内部形成了气体，可能导致热失控。

实验验证：通过实验，研究团队证明了在热失控发生之前，超声波信号会发生显著变化，这些变化可以作为早期预警信号。例如，在一个实验中，当电池加热到三级预警时停止加热，电池并未进入不可逆的热失控状态，验证了超声波技术的有效性。

产品推荐：

• 热失控实验：使用HEL BTC-130标准电池绝热加速量热仪进行热失控测试：

• 选择待测试的锂离子电池（如210mAh的软包电池）

• 将电池放置在BTC-130的测试腔内，确保电池与加热元件和温度传感器的良好接触。

• 在电池表面安装超声波探头，用于实时监测电池内部的结构变化。

• 在电池表面和加热元件附近安装热电偶（K型），用于监测电池表面和内部的温度变化。

• 确保所有传感器和探头连接到相应的数据采集系统。

• 使用BTC-130的加热元件对电池进行加热。加热方式可以是整体加热或局部加热，具体取决于研究目的。

• 对于整体加热，设置加热速率为均匀升温，确保电池整体温度一致。

• 对于局部加热，使用加热元件对电池的特定区域进行加热，模拟电池内部的局部热失控。

• 持续加热电池，直至电池进入热失控状态。热失控的特征包括温度急剧上升、电池电压下降、气体释放等。

• 在热失控过程中，记录超声波信号的变化，特别是第一回波峰的消失，这通常表明电池内部结构的显著变化（如气体生成或电极层分离）。

来源

Owen, R. E., Wiśniewska, E., Braglia, M., Stocker, R., Shearing, P. R., Brett, D. J. L., & Robinson, J. B. (2024). Operando ultrasonic monitoring of the internal temperature of lithium-ion batteries for the detection and prevention of thermal runaway. Journal of The Electrochemical Society, 171(4), 040525.

关于HEL：

H.E.L——Hazard Evaluation Laboratories 成立于1987年，总部设在伦敦，在中国、美国、德国、意大利、印度拥有分公司。全资的赫伊尔商贸（北京）有限公司于 2020年在北京设立。

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