市面上的電瓶車(chē)品牌種類(lèi)繁多，但其能量來(lái)源基本以鋰電池或鉛酸電池為主。作為重點(diǎn)關(guān)注鋰電池熱安全測試解決方案的行業(yè)專(zhuān)家，我們將從更加科學(xué)的角度，帶您了解電池熱失控背后的機理。

　　鋰電池熱失控測試與關(guān)鍵儀器

　　熱失控指電池單體放熱連鎖反應引起電池溫度不可控上升的現象。造成動(dòng)力電池熱失控的誘因主要有機械濫用、電濫用和熱濫用，熱失控可能由這三個(gè)因素單獨或者耦合誘發(fā)。

 圖1 鋰電池熱失控過(guò)程圖[1]

　　結合電池材料熱穩定性與分解特征，鋰電池熱失控過(guò)程大致分為三個(gè)階段：

　　(1)自反應放熱階段：由于內部短路，外部加熱或者電池自身在大電流充放電時(shí)自身發(fā)熱，使得電池內部溫度上升至90~100℃左右，SEI膜開(kāi)始收縮分解，正負極材料與電解質(zhì)發(fā)生接觸，負極開(kāi)始與電解液反應，放出熱量進(jìn)一步提高溫度;

　　(2)電池放氣鼓包階段：鋰電池溫度持續上升至200℃以上，正極發(fā)生分解反應，釋放熱量并產(chǎn)生氣體，使得電解質(zhì)發(fā)生分解，進(jìn)一步升溫;

　　(3)電池熱失控爆炸階段：*的溫度，導致鋰電池發(fā)生大規模內短路，電解液燃燒放出大量熱量與氣體，進(jìn)而導致電池燃燒爆炸。

　　電池熱失控是電池安全的重要組成部分，關(guān)于鋰電池熱失控方面的研究也是鋰電池行業(yè)研究的熱點(diǎn)。包含鋰電池熱失控要求和測試方法的標準有GB/T 36276-2018、UL 9540A:2018和UL 1973:2018等。GB/T 36276-2018側重于檢測儲能用鋰離子電池在發(fā)生熱失控時(shí)是否發(fā)生起火、爆炸。

　　如若發(fā)生起火、爆炸，試驗終止且判定型式試驗不合格，直接影響產(chǎn)品的出廠(chǎng)使用;UL 9540A:2018側重于檢測儲能系統用電芯發(fā)生熱失控時(shí)，對其起火特性進(jìn)行評估，獲得相關(guān)數據，以用于確定儲能系統防火防爆措施;UL 1973:2018側重于檢測電池系統中電芯發(fā)生熱失控時(shí)，對周?chē)娦炯半姵叵到y的影響，獲得相關(guān)數據，以便通過(guò)電芯設計減少單個(gè)電芯失效時(shí)對整個(gè)電池系統的影響。

　　GB/T 36276-2018和 UL 9540A:2018觸發(fā)電芯熱失控的方法均為加熱法[2]。UL 1973:2018除采用外部加熱法外，提供了多種觸發(fā)熱失控方法，包括內部缺陷類(lèi)：導電污染物、隔膜破壞、內部加熱器;外部應力類(lèi)：外部加熱器、擠壓機制、針刺、短路、過(guò)充。

　　為了能夠更準確地對鋰電池的熱安全性能進(jìn)行評估，研究者希望能夠在絕熱實(shí)驗環(huán)境下對鋰電池進(jìn)行熱失控測試，測試的關(guān)鍵儀器為電池絕熱量熱儀。電池絕熱量熱儀通過(guò)追蹤電池溫度變化，并動(dòng)態(tài)調節環(huán)境溫度，可消除電池與環(huán)境之間的溫差，從技術(shù)層面實(shí)現系統的熱動(dòng)態(tài)封閉。在這種絕熱測試環(huán)境下，電池的溫度變化必然是自身吸放熱導致的。因此通過(guò)絕熱量熱儀可以準確測定電池熱失控過(guò)程中的關(guān)鍵參數。

 圖2 GB/T36276-2018 熱失控試驗加熱裝置示意圖[2]

　　以18650電池為例，可利用小型電池絕熱量熱儀進(jìn)行測試。利用儀器的H-W-S工作模式進(jìn)行熱失控實(shí)驗，可以得到如圖3所示的電池熱失控溫升曲線(xiàn)。曲線(xiàn)前半部分為“H-W-S” 模式，儀器將通過(guò)外部加熱實(shí)現電池臺階式升溫，并重復進(jìn)行加熱-等待-搜尋過(guò)程，直至檢測到鋰電池開(kāi)始自放熱。

　　隨后儀器將自動(dòng)跳轉為“絕熱追蹤”模式，電加熱系統將控制電池周?chē)沫h(huán)境溫度緊跟電池溫度變化，確保電池產(chǎn)熱*用于升高自身溫度。通過(guò)鋰電池熱失控曲線(xiàn)，我們可以對其中一些特殊的溫度點(diǎn)進(jìn)行測定和分析，評估電池的熱安全性能。

　　例如，Tonset是鋰電池自放熱起始溫度，電池自產(chǎn)熱速率高于0.02 ℃/min，可以認為該溫度下SEI膜開(kāi)始分解。高于此溫度，電池將出現明顯的自產(chǎn)熱;而TTR是熱失控引發(fā)溫度，一般定義為電池的自產(chǎn)熱速率高于1℃/s 的溫度。在此溫度后，電池將出現劇烈溫升，溫升速率可能高達105 ℃/min，同時(shí)一般會(huì )伴隨產(chǎn)生大量的光和熱;Tmax是鋰電池熱失控過(guò)程能達到的最高溫度。

 圖3 18650電池熱失控測試溫升曲線(xiàn)

　　小型電池絕熱量熱儀僅能滿(mǎn)足18650等小型鋰電池的熱失控實(shí)驗需求，而體積和容量較大的鋰電池或模組需要使用腔體尺寸更大、功能更豐富、防護等級更高的大型電池絕熱量熱儀進(jìn)行測試。大型電池絕熱量熱儀不僅能夠通過(guò)程序升溫等熱濫用方式誘發(fā)電池熱失控，還可以進(jìn)行過(guò)充、過(guò)放、外部短接等電濫用以及針刺、擠壓等機械濫用實(shí)驗，并測定熱失控相關(guān)數據。

　　另外，大型電池量熱儀還可以通過(guò)內置攝像頭直觀(guān)地觀(guān)察實(shí)驗現象。經(jīng)了解，熱失控發(fā)生后，伴隨著(zhù)溫度急劇變化，電池將經(jīng)歷發(fā)生氣體噴出、火焰噴射、燃燒和熄滅結束四個(gè)階段。研究表明，電池熱失控過(guò)程產(chǎn)生的烷烴類(lèi)氣體和電解液蒸氣與氧氣混合后極易被引燃，隨即可發(fā)生爆炸式燃燒[3]。

　　最后，仰儀科技倡導，安全無(wú)小事，希望大家不要將電瓶車(chē)或電池帶入電梯及家中等狹小密閉的空間。

　　注：

　　[1] Feng X , Ouyang M , Liu X , et al. Thermal runaway mechanism of lithium ion battery for electric vehicles: A review.

　　[2] 鋰電池熱失控/擴散發(fā)生機理、預防措施及標準檢測方法淺析.北京鑒衡認證中心

　　[3] 孫金華,王青松. 鋰離子電池火災防控技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)及應用.中國消防協(xié)會(huì )科技成果鑒定會(huì ).2021:2

　　[4] 羨學(xué)磊，董海斌等. 三元鋰離子動(dòng)力電池熱失控及火災特性研究，《儲能科學(xué)與技術(shù)》 2020. 19(01):239-249