一. 前言
在全球積極推進(jìn)碳達(dá)峰與碳中和的背景下，新能源汽車產(chǎn)業(yè)作為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵一環(huán)，戰(zhàn)略地位愈發(fā)凸顯。鋰離子電池作為新能源汽車的動(dòng)力源泉，它的能量密度與車輛續(xù)航里程、重量及成本都息息相關(guān)。但是，隨著能量密度提升，熱失控風(fēng)險(xiǎn)及熱失控的劇烈程度也隨之加劇。為深入剖析高比能量電池的熱失控特性，為電動(dòng)汽車的熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，我司應(yīng)用研究團(tuán)隊(duì)與重慶理工大學(xué)林春景副教授課題組利用BAC-420A大型電池絕熱量熱儀，針對(duì)NCM鋰離子液態(tài)電池和鋰金屬半固態(tài)電池進(jìn)行絕熱熱失控測(cè)試，并對(duì)熱失控過(guò)程中的催化反應(yīng)進(jìn)行對(duì)比研究，相關(guān)成果已在 Journal of Energy Storage 學(xué)術(shù)期刊發(fā)表。
二. 實(shí)驗(yàn)儀器介紹
大型電池絕熱量熱儀，作為電池?zé)岚踩栽u(píng)估的關(guān)鍵設(shè)備，可精確檢測(cè)到電池在絕熱環(huán)境下的熱失控特征，同步記錄電池在各種濫用條件下的電壓、電流、溫度、時(shí)間等狀態(tài)信息，經(jīng)電學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)數(shù)據(jù)的協(xié)同處理，揭示電池?zé)崾Э貦C(jī)理，精確量化電池?zé)岱€(wěn)定性與致災(zāi)危害，能為電池單體及模組安全性能評(píng)估、熱管理開(kāi)發(fā)、熱失控主動(dòng)防控研究提供可靠數(shù)據(jù)支撐。
本次研究采用的BAC-420A大型電池絕熱量熱儀專為大型電池單體及小型模組設(shè)計(jì)，其絕熱腔體有效尺寸達(dá) 420×520mm，可滿足長(zhǎng)邊不超過(guò) 600mm電池的熱失控測(cè)試需求。該儀器絕熱性能卓越，壁樣溫差≤0.5℃，自放熱檢測(cè)靈敏度可達(dá)到0.005°C/min，遠(yuǎn)超行業(yè)常規(guī)檢測(cè)閾值 0.02°C/min。能夠敏銳捕捉電池?zé)崾Э剡^(guò)程中的細(xì)微溫度變化，精準(zhǔn)測(cè)定自放熱起始溫度（Tonset）、熱失控起始溫度（TTR）、熱失控最高溫度（Tmax）及最大溫升速率(dT/dt)max等關(guān)鍵熱動(dòng)力學(xué)參數(shù)。同時(shí)該儀器符合 GB/T 36276 - 2023《電力儲(chǔ)能用鋰離子電池》“絕熱溫升特性” 實(shí)驗(yàn)要求。為電池安全性能評(píng)估、熱管理開(kāi)發(fā)及熱失控防控研究提供有力的數(shù)據(jù)支持。此外，該儀器還榮獲2024年“國(guó)產(chǎn)好儀器”稱號(hào)，口碑備受贊譽(yù)。
BAC-420A大型電池絕熱量熱儀
三. 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果
（一）實(shí)驗(yàn)過(guò)程
樣品準(zhǔn)備：實(shí)驗(yàn)樣品涵蓋不同鎳含量的 NCM 三元液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池和 NCM622 半固態(tài)鋰金屬電池。其中，NCM 液態(tài)電解質(zhì)電池依鎳含量差異可分為中鎳（NCM532 / 石墨、NCM622 / 石墨）、高鎳（NCM811 / 石墨）和超高鎳（NCM90505 / 石墨）電池。
儀器校準(zhǔn)：
Step1：采用溫差基線模式，以與電池樣品尺寸相同的標(biāo)準(zhǔn)鋁塊對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)。
Step2：利用標(biāo)準(zhǔn)鋁塊進(jìn)行HWS模式測(cè)量其自發(fā)熱速率。唯有鋁塊在搜索期間各臺(tái)階升溫速率均不超過(guò)±0.003°C/min 時(shí)，儀器絕熱性能方可滿足后續(xù)電池?zé)崾Э販y(cè)試要求。
實(shí)驗(yàn)操作：將電池置于電池絕熱量熱儀爐腔內(nèi)，采用HWS模式開(kāi)展絕熱熱失控測(cè)試。實(shí)驗(yàn)分為臺(tái)階升溫階段和絕熱追蹤階段。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，電池首先進(jìn)行加熱-等待-搜尋的臺(tái)階升溫模式，直到臺(tái)階搜索階段樣品的升溫速率大于0.02°C/min 檢測(cè)閾值，進(jìn)入絕熱跟蹤階段，爐體溫度追蹤樣品溫度直至電池?zé)崾Э亍?/span>
（二）實(shí)驗(yàn)結(jié)果
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熱失控特征參數(shù)分析
采用BAC-420A大型絕熱電池絕熱量熱儀測(cè)定9種不同電池的熱失控特征參數(shù)，結(jié)果如圖2-圖7、表2所示：
1.不同NCM液態(tài)鋰離子電池的Tonset一般在80-90°C范圍內(nèi)，表明鋰離子液態(tài)電池的SEI膜分解機(jī)制與正極材料相關(guān)性較小。隨著系統(tǒng)中鎳含量占比的增加，熱失控孕育時(shí)間和持續(xù)時(shí)間縮短，而熱失控過(guò)程中釋放的單位Ah能量、能量釋放速率和質(zhì)量損失率均增加，說(shuō)明熱失控的劇烈程度隨著電池能量密度的增加而增加
2.同一體系的方形和軟包鋰離子電池的熱失控過(guò)程存在差異。方形電池的TTR隨著鎳含量的增加而降低，從NCM532的186.49°C逐漸降低至NCM90505的156.92°C，而軟包電池的TTR保持在190°C左右。此外，軟包電池在達(dá)到TTR后會(huì)有一個(gè)誘導(dǎo)期才會(huì)快速升溫。
3. 鋰金屬半固態(tài)電池的Tonset低于75°C，Tmax超過(guò)1420°C，熱失控持續(xù)時(shí)間最短，熱失控后的質(zhì)量損失率接近100%。這表明與高鎳和超高鎳NCM三元鋰離子電池相比，鋰金屬半固態(tài)電池的熱穩(wěn)定性更低，熱失控更嚴(yán)重，潛在的熱危害更大。
部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)展示
- 兩步自催化反應(yīng)模型的應(yīng)用
依據(jù)BAC-420A所測(cè)熱失控關(guān)鍵參數(shù)，本研究率先將兩步自催化反應(yīng)模型應(yīng)用于電池自加熱過(guò)程的表觀動(dòng)力學(xué)分析。結(jié)果表明，該模型有效地模擬了熱失控孕育階段的表觀熱動(dòng)力學(xué)過(guò)程，并揭示了孕育階段反應(yīng)的活化能隨著能量密度的增加而降低的規(guī)律。
部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)展示
四. 結(jié)論
本研究利用BAC-420A大型電池絕熱量熱儀對(duì)高能密度電池的熱失控行為進(jìn)行了深入研究，揭示了關(guān)鍵的熱失控特性和規(guī)律與鎳含量、電池封裝形式的關(guān)系等。這些發(fā)現(xiàn)不僅為優(yōu)化長(zhǎng)續(xù)航動(dòng)力電池的熱管理和安全預(yù)警設(shè)計(jì)提供了參考，也為未來(lái)電池材料的選擇和電池結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)電池?zé)岚踩缘难芯繉⒗^續(xù)深入，以推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。
