H.E.L 锂离子电池电滥用研究——BTC-500 大电池绝热加速量热仪

锂离子电池因其高能量密度、长循环寿命和良好的充放电性能，已成为电动汽车、消费电子和储能系统中的主流电池技术。然而，锂离子电池在滥用条件下（如过度充电和过度放电）可能引发严重的安全问题，包括热失控、起火甚至爆炸。这些安全问题不仅威胁到用户的安全，还可能阻碍锂离子电池技术的进一步推广和应用。为此研究者通过此方面研究，有助于深入理解电池在极端条件下的失效机制，从而为电池管理系统（BMS）的设计提供科学依据，以有效预防电池安全事故；可以优化电池的充放电策略，合理控制充电电压和放电深度，从而延长电池的循环寿命有助于发现现有电池材料和结构的不足，从而推动新型电池材料和结构的研发；可以提高电池的安全性和可靠性，从而推动新能源汽车产业的健康发展。

案例：锂离子电池过充热安全性研究

Ji, C., Zhang, S., Wang, B., Sun, J., Zhang, Z., & Liu, Y. (2022). Study on thermal safety of the overcharged lithium-ion battery. Fire Technology, 59, 1089–1114. 

背景:随着生活水平的提高，汽车逐渐成为主要交通工具，对非可再生能源和环境造成了巨大压力。新能源汽车作为替代传统燃油车的解决方案，承担着减少碳排放的任务。锂离子电池因其高工作电压、高能量密度、长循环寿命、无环境污染等优点，成为电动汽车动力电池的首选。然而，锂离子电池在滥用条件下存在严重的安全问题，尤其是过充可能导致电池起火甚至爆炸，阻碍了电动汽车的发展和普及。通过研究过充条件下的热失控行为，可以更好地理解电池的安全特性，从而设计更安全的电池管理系统（BMS）。   

研究方法：选择了三种商业化的锂离子电池，包括软包NCM-12 Ah、32650-LFP-5 Ah和方形LFP-20 Ah电池。通过实验研究不同充电速率下NCM电池的热失

控行为，以及三种不同类型电池在1.00 C充电速率下的过充特性。基于实验数据，提出一个新的指标——过充程度，用于评估电池在不同过充条件下的安全状态，为电池过充条件下的早期安全预警提供思路。

实验结果：NCM电池在不同充电速率下的热安全特性：

• 随着充电速率的增加，NCM电池的初始热失控温度逐渐降低，但2.00 C的初始热失控温度略低于1.50 C。

• 电池的最大热失控温度先增加后减少。

• 电压在早期的上升速率随充电速率的增加而增加。

• 电池在热失控前的电压先降低后增加。

• 总充电容量呈线性下降趋势。

• 电池质量损失先增加后减少，其中1.00 C过充后的质量损失最大。

三种电池在1.00 C充电速率下的热安全特性：

• 32,650电池的初始热失控温度最低。

• 方形LFP电池的最大热失控温度最高。

• 方形LFP电池的温度变化率最大。

• 方形LFP电池的电压首先降至0 V。

• NCM电池的过充时间最长。

结论：过充程度指标：通过综合分析过充电池特征参数的变化趋势，引入了过充程度指标，用于评估电池在不同过充条件下的安全状态。当过充程度大于0.4时，电池热失控的概率增加，安全性降低。    

热失控行为：过充导致的热失控行为与充电速率密切相关，高充电速率下电池的热失控更为剧烈，安全性更低。

电池类型差异：不同类型的电池在过充条件下的热失控行为存在差异，方形LFP电池在热失控过程中表现出最高的温度和最快的变化率，而32,650电池的初始热失控温度最低。

本文的研究为理解锂离子电池在过充条件下的热安全特性提供了实验数据支持，并为电池管理系统的设计和电池安全预警策略的制定提供了科学依据。通过引入过充程度指标，为电池安全性能的评估提供了一个新的量化工具。          

热失控实验：使用HEL BTC-500 大电池绝热加速率量热仪进行进行绝热条件下的热失控测试。

• 将电池放置在25°C的恒温箱中，进行0.50 C恒流放电至截止电压，然后在恒温箱中平衡1小时。

• 称量电池初始重量。

• 将电池放入测试箱中，安装温度传感器，连接电流线和电压传感器。

• 设置ARC控制软件的实验步骤，包括初始温度、校准、等待、充电和冷却阶段。

• 启动实验，实验结束后关闭软件和设备，取出电池，测量实验后的质量变化。

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。

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。

关于绿绵科技

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　　主要代理产品：GC/MS/MS,LC/MS/MS新机租赁业务/LUMTECH循环制备液相/静音型双频超声清洗/Knauer研发，中试和生产脂质纳米颗粒（LNP)碰撞喷射混合器系统/冰点渗透压仪、液相/超高压液相色谱仪、在线SPE液相色谱仪/法国F-DGSi氮气，超高纯氢气气体发生器，液氮发生器/Cytiva生命科学设备/LabOS实验室运营系统/MassWorks准确质量数测定及分子式识别系统/MsMetrix气质香精香料分析软件/Sin-QuEChERS农残净化柱/制药企业质量回顾性报告系统（QRS)/英国赫伊尔生物反应器，电池绝热量热、催化剂合成。

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