H.E.L 圆柱锂离子电池热失控研究—BTC-130 标准电池绝热量热仪

2024年1-9月，全球圆柱电池出货量达到115亿只，全年达到145亿只，同比增幅超过11.9%。其中，大圆柱型号（如32/40/46/60系列）增速超过50%，表现亮眼。全极耳技术成为圆柱电池的应用大趋势，显著提升了小圆柱电池（如18系列和21系列）的性能。2024年1-9月，18系列圆柱电池出货59.56亿只，占比52.01%；21系列圆柱电池出货49.67亿只，占比43.37%。预计到2025年，全球圆柱电池出货量将达到195亿只。其中，中国圆柱市场将达到79.4亿只。大圆柱电池（如4680、4695等型号）将成为未来市场的主流，尤其在电动汽车领域。预计到2025年，全球大圆柱电池的市场需求有望达到144.2GWh至235GWh。

与此同时圆柱锂离子安全问题研究同样吸引人们的关注，对其热失控特性研究并促进其提高安全性对企业及市场有着重要的意义。

案例：圆柱形锂离子电池热失控及临界特性比较研究：综述

Li, W., Wang, J., Sun, C., Fan, X., Gong, L., Huang, J., ... & Duh, Y. S. (2025). Comparison on Thermal Runaway and Critical Characteristics of Cylindrical Lithium-Ion Batteries: A Review. ACS Chemical Health & Safety.

背景:随着能源危机和全球气候变化的加剧，人类迫切需要从传统化石燃料转向可再生能源。锂离子电池（LIBs）因其高能量密度、长循环寿命和紧凑尺寸，在便携电子设备、电动汽车（EVs）、混合动力电动汽车（HEVs）和能源存储系统（ESSs）中得到了广泛应用。然而，LIBs的安全性问题，尤其是热失控行为，成为限制其进一步应用的关键因素。近年来，多起由LIBs引发的火灾和爆炸事故引起了广泛关注，因此，研究LIBs的热失控特性并提高其安全性具有重要意义。    

研究方法：

• 文章通过整合国际实验室的数据，对不同尺寸的圆柱形LIBs在100%充电状态（SOC）下的六种热危害参数进行了分析：起始温度（Tonset）、临界温度（Tcr）、最高温度（Tmax）、最大自发热速率（(dT/dt)max）、非冷凝气体释放量（Δn）和焓变（ΔH）。

• 使用加速绝热量热仪（ARC）和进绝热量热仪（PAC）来评估电池的热危害，并建立了热分析数据库，对临界温度进行了分类。

实验结果：

• 热危害排序：通过对不同尺寸和化学成分的圆柱形LIBs的热危害数据进行分析，得出热危害排序为21700 > 18650非LFP ≫ 26650 LFP > 14500非LFP > 18650 LFP > 14500 LFP。

• 起始温度（Tonset）：21700 NMC电池的最低Tonset为88.0℃，而18650 LFP电池的最高Tonset为220.0℃。

• 临界温度（Tcr）：21700 NCA电池的最低Tcr为145.5℃，而14500和18650 LFP电池没有观察到Tcr。

• 最高温度（Tmax）：21700 NCA电池的最高Tmax为1257.9℃，而18650 LFP电池的最低Tmax为243.2℃。    

• 最大自发热速率（(dT/dt)max）：21700 NCA电池的最高(dT/dt)max为64536.0℃ min−1，而18650 LFP电池的最低(dT/dt)max为3.0℃ min-1。

• 非冷凝气体释放量（Δn）：18650 NCA电池的最高Δn为314.0 mmol，而14500 LFP电池的最低Δn为23.3 mmol。

• 焓变（ΔH）：21700 NCA电池的最高ΔH为70.5 kJ，而14500 LFP电池的最低ΔH为0.8 kJ。

结论：

• 文章指出，21700电池由于采用了高能量密度的LiNi0.8Co0.15Al0.05O2（NCA）和LiNixMnyCozO2（NMC）正极材料，表现出最严重的热失控后果。

• 临界温度Tcr和最大温度Tmax的分布较广，且大多数最大自发热速率（dT/dt）和压力数据在文献中缺失。

• 不同研究者对起始温度、临界温度、触发温度以及可能引发严重热失控的热源的定义存在显著差异，这增加了研究的复杂性

• 文章还讨论了热失控的可能机制，包括内部短路、气体冲击或电子击穿等，这些因素可能导致隔膜熔化后引发热失控。

总结：

• 文章通过总结100% SOC圆柱形LIBs的热失控数据，构建了包含六种危害数据的箱线图，并对圆柱形LIBs的热危害进行了分析和分类。研究表明，NCA和NMC材料广泛应用于21700和18650电池中，但在100% SOC下的热失控风险是不可接受的。文章强调了准确获取热危害数据的重要性，并指出了热失控触发原因、起始温度、热失控能量学和临界点定义的不确定性，这些因素严重阻碍了本质安全LIBs的发展。

• 文章提出了未来研究的方向，包括提高热电偶与电池接触的稳定性，以获得更准确的数据；设计支撑框架或弹丸以增强信号噪声比；防止锂电镀引起的热失控；进一步探索低Tcr背后的化学和物理现象；结合多信号参数和新方法（如高速CT或声学光谱学）来研究失效机制；以及设计具有更稳定化学和更安全内部布局的下一代21700 LIBs。          

绝热实验：使用BTC-130标准电池绝热量热仪对圆柱电池进行热失控研究：

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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