H.E.L 锂离子电池热失控研究 —BTC-130 标准电池绝热量热仪

锂离子电池在使用过程中可能会因机械滥用（如碰撞、挤压、穿刺）、电滥用（如过充、过放、过流）和热滥用（如高温环境）等因素引发热失控。热失控会导致电池温度急剧上升，进而引发电池起火、爆炸等安全事故，严重威胁人身和财产安全。为此研究者希望通过热失控模型的研究来降低锂离子电池在使用过程中的安全风险：

揭示热失控机理：通过建立热失控模型，深入研究锂离子电池在不同滥用条件下的热失控触发机制、演化过程以及内部的物理化学变化，明确各因素之间的相互作用。

预测热失控行为：利用模型对电池在特定条件下的热失控行为进行预测，包括温度变化、压力变化、气体生成等，以便提前采取措施防止事故的发生。

优化电池设计与热管理：基于模型的研究结果，为电池的结构设计、材料选择以及热管理系统的设计和优化提供理论依据，提高电池系统的安全性。

通过此研究减少因热失控引发的火灾、爆炸等事故，保障用户的生命和财产安全，为新能源汽车、储能系统等领域的大规模应用提供技术支持，促进锂离子电池行业的健康发展。 

案例：磷酸铁锂电池热失控路径的详细建模研究

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:锂离子电池（LIBs）因其高能量密度、低自放电率和长循环寿命等优点，被广泛应用于从小型便携电子设备到大型电动车辆（xEVs）和能源存储系统（ESSs）。然而，LIBs中的热失控（TR）可能导致火灾或爆炸，对生命和财产构成威胁。尽管LIBs的TR事故罕见，但其低概率事件仍阻碍了LIB市场的扩张。磷酸铁锂LFP电池是热稳定性最高的LIBs，但它们在滥用条件下仍会发生TR。 

研究方法：

• 文章提出了一个多物理场TR模型，考虑了化学反应、热力学和老化，并使用实验数据进行验证。

• 模型包括三个子模型：化学反应降解模型、热力学模型和老化模型。

• 化学反应降解模型计算了SEI层、负极、正极和电解液的化学热生成。

• 热力学模型考虑了电池内部的热生成和传导，以及电池与环境之间的热对流。

• 老化模型假设SEI层的生长是老化的主要机制，并考虑了SEI层厚度的演变。

实验：

• 实验部分包括自加热实验、老化实验和烤箱测试，用于获取模型校准和验证所需的数据。

• 自加热实验使用电池测试量热仪（BTC）进行，以获取化学反应模型的参数。

• 老化实验通过测量电池在循环过程中的机械演变来确定老化模型的参数。

• 烤箱测试用于确定热力学参数，并验证提出的模型。    

  
  

结论：

• 操作依赖性：在电滥用条件下，C率（充电速率）和冷却条件对TR路径有显著影响。高C率会导致TR更快发生，且温度更高。而强冷却可以降低TR的峰值温度并推迟TR的开始时间。

  
  

• 尺寸依赖性：在热滥用条件下，电池的尺寸对TR路径有显著影响。较小的电池尺寸（较大的表面积与体积比，S/V）会导致更快的TR发生，而较大的电池尺寸则会延迟TR。这一现象主要源于电池与环境之间的热交换。

• 老化影响：老化对TR路径的影响在电滥用和热滥用条件下有所不同。在电滥用条件下，老化主要影响TR的峰值温度；而在热滥用条件下，老化主要影响TR的开始时间。这种差异归因于不同的热源和热平衡机制。

研究意义：

• 该研究通过详细的建模分析，为LFP电池的设计和热管理策略的开发提供了重要的理论支持。

• 研究结果有助于确保LFP电池的热稳定性和可靠性，对于推动LFP电池在各种应用中的安全使用具有重要意义。

热失控实验：

• 设备：使用BTC-130 标准电池绝热量热仪进行热失控测试，通过测量电池在加热过程中的温度变化，确定热失控的起始温度、峰值温度等关键参数。

• LFP电池充满电，100%SOC,将电池放置在BTC测试装置的中心位置。   

• 将BTC测试装置的初始温度设置为30℃。

• 采用“加热-等待-搜索”（Heat-Wait-Search, HWS）程序进行实验。

• 在整个实验过程中，使用数据记录仪以1 Hz的采样率记录电池表面温度。

• 通过分析温度数据，确定热失控的关键参数，如起始温度（Tonset）、峰值温度（Tpeak）等。

• 记录每个温度点的温度变化曲线，以便后续分析电池在不同温度下的热失控行为。

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。H.E.L最初是一家过程工艺优化及反应危害评估的专业咨询机构，对研究机构和生产企业承接工艺过程研发项目；同时提供安全咨询，包括事故调查、HAZOP研究、安全设施的设计及制度管理等。目前，H.E.L是全球首屈一指的过程工艺及安全专业咨询机构，同时已经发展成为一家致力于为客户提供专业的过程工艺优化及反应危害评估设备的国际集团企业。

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