H.E.L 锂电池热失控研究 —BTC-500 大电池绝热量热仪

近年来，电动汽车和储能系统中的锂离子电池安全事故频发，引起了公众的广泛关注。例如，2021年4月，中国北京大红门的一起25MWh储能系统爆炸事故导致多人伤亡。这些事故凸显了锂离子电池安全问题的严重性，迫切需要深入研究以提高电池的安全性。

随着电动汽车和储能系统的广泛应用，对锂离子电池的能量密度和安全性提出了更高的要求。研究热失控机制和排气气体的爆炸特性，有助于开发更安全、更可靠的电池技术。锂离子电池是一个复杂的电化学系统，涉及多种材料和反应机制。深入研究热失控过程中的物理和化学变化，有助于揭示电池失效的内在机制，为电池设计和安全防护提供科学依据。

案例：从锂离子电池固有安全性能和排气爆炸危害两方面全面剖析了锂离子电池热失控问题

Wei, G., Huang, R., Zhang, G., Jiang, B., Zhu, J., Guo, Y., Han, G., Wei, X., & Dai, H. (2023). A comprehensive insight into the thermal runaway issues in the view of lithium-ion battery intrinsic safety performance and venting gas explosion hazards. Applied Energy, 349, 121651. 

背景:锂离子电池因其高能量密度、长循环寿命和相对较低的自放电率，被广泛应用于电动汽车（EVs）、消费电子和大规模储能系统（ESS）。然而，随着电池能量密度的不断提高，电池安全问题日益突出。热失控是锂离子电池的一种灾难性失效模式，通常由机械滥用、电气滥用和热滥用引起，表现为温度急剧上升、电压陡降、可燃有毒气体释放、喷射火和爆炸等。这些现象不仅会损坏电池本身，还可能引发火灾和爆炸，对人员和财产安全构成严重威胁。    

研究方法：实验对象：研究使用了商业尺寸的锂离子电池，包括LFP和不同镍含量的NCM电池，以及微过充电的电池单元。

实验设备：使用绝热加速量热仪（ARC）触发电池的热失控，并收集排气气体进行气相色谱分析。

实验步骤：所有电池样本被充电至100%的荷电状态（SoC），然后在ARC中进行绝热条件下的热失控测试。测试过程中收集电池表面温度、电压和排气气体等数据。

实验结果：热失控特征参数：通过分析电池在热失控过程中的电热响应曲线，提取了多个特征参数，包括自加热温度（T1）、热失控触发温度（T2）、最大温度（Tmax）和最大温升率（Rmax）。

电池安全性能评估：基于上述特征参数，提出了电池安全性能的评估方法，包括热失控容忍度（TR tolerance）和热失控危险性（TR hazards）两个指标。

排气气体成分和爆炸特性：通过气相色谱分析，确定了排气气体的主要成分，包括氢气（H2）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）和烃类气体。并计算了排气气体的爆炸下限（LEL）。

结论：电池内在安全性能：

• LFP电池显示出比NCM电池更高的热失控容忍度，而NCM电池的热失控危险性更高，且随着镍含量的增加而加剧。

• 微过充电导致NCM电池的热失控容忍度和危险性降低，但对排气气体的LEL值影响不大。

排气气体爆炸危险性：

• LFP电池的排气气体中氢气和烃类气体含量较高，LEL值较低，表明其排气气体爆炸风险更高。

• NCM电池的排气气体中CO和CO₂含量较高，LEL值随着镍含量的增加而增加，表明高镍含量的NCM电池排气气体爆炸风险较低。

电池安全设计建议：

• 在电池模块和电池组级别，应通过合理设计排气阀和特定流量的气流冲洗来稀释排气气体浓度，以降低爆炸风险。

• 在下一代电池安全保护设计中，可以应用“热电分离”概念，即电池极柱和安全阀分布在相对或相邻的两侧，结合定向压力释放通道，显著避免因排气混合物引起的二次爆炸危害。

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。

• 所有电池样本被充电至100%的荷电状态（SoC），使用恒流-恒压（CC-CV）充电协议（在上限截止电压下恒压充电，直到电流低于0.05C）。

• 在测试前，将电池用加热丝包裹，以实现均匀加热，并悬挂在ARC腔室的盖子上。然后用螺栓密封ARC腔室。

• 在电池表面和腔室内布置多个K型热电偶，用于监测电池在热失控过程中的表面温度和环境温度。同时，通过电压采样线连接电池极耳，记录电池电压。

• 在ARC的压力释放阀上连接一个铝塑气体采样袋，用于收集热失控后释放的气体。                        

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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