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锂离子电池全生命周期热安全演化机理及无损评价

泰然健康网
2025-08-05 04:50

前言

锂离子电池热安全研究是电池科学与工程领域的一个重要分支，主要关注锂离子电池在各种工况下的热行为、热失控机制以及热管理策略。近年来，锂离子电池相关的安全事故频发，如智能手机自燃、电动汽车起火等事件，引起了公众的广泛关注和担忧。这些事故不仅对用户的生命财产安全构成威胁，也对相关产业的发展带来了负面影响。通过深入研究锂离子电池的热安全特性，可以更好地理解热失控的机理，从而开发出有效的预防措施。例如，改进电池材料、优化电池设计、完善电池管理系统（BMS）等，能够有效降低热失控的风险。

提高电池的安全性可以增强公众对锂离子电池产品的信任，促进消费电子、电动汽车和储能系统等产业的健康发展。这对于推动新能源汽车的普及和可再生能源的广泛应用具有重要意义。

案例：锂离子电池全生命周期热安全演化机理及无损评价

背景:随着环境污染和能源短缺问题的日益突出，全球能源结构正向清洁、低碳、智能、高效和经济安全的方向转型。电动汽车作为能源转型的重要组成部分，其核心部件锂离子电池的安全性问题成为制约电动汽车发展的关键因素之一。电池热失控事件可能导致严重的人员伤亡和财产损失，降低消费者对电动汽车的信心。因此，研究锂离子电池在全生命周期内的热安全演变机制，并开发非破坏性的热安全评估方法，对于保障电动汽车的安全运行至关重要。

研究方法：设计了四种不同的电池老化路径：低温循环（-10℃/0.5C，LTC）、高倍率循环（25℃/5C，HRC）、高温循环（60℃/0.5C，HTC）和高温存储（60℃/100% SOC，HTR），以模拟电池在实际使用中的不同工况。通过加速量热仪（ARC）进行绝热热失控测试，结合电化学阻抗谱（EIS）、增量容量（IC）和差分热伏安法（DTV）等多维电化学测试，以及扫描电子显微镜（SEM）、能量色散光谱（EDS）、X射线光电子能谱（XPS）和X射线衍射（XRD）等多种表征手段，全面分析了电池在不同老化路径下的热安全演变机制。

实验结果：

电化学性能退化行为：研究发现，随着电池老化，不同老化路径下的电池电化学阻抗谱（EIS）逐渐向正实轴偏移，中高频区域的弧径显著增大，表明电池内阻增加，尤其是电荷转移阻抗。通过分布松弛时间（DRT）计算和等效电路模型拟合，进一步量化了不同老化路径对电池内阻的影响。增量容量（IC）曲线和差分热伏安法（DTV）曲线的变化表明，低温循环和高倍率循环路径下，锂离子在石墨中的嵌入/脱嵌过程受到严重影响，而高温循环和高温存储路径下，电池的热稳定性下降更为显著。

热失控特性：通过ARC测试，研究者们发现，与新鲜电池相比，老化电池的自加热初始温度（T1）和热失控触发温度（T2）显著降低，表明电池热稳定性下降。特别是在低温循环和高倍率循环路径下，T1和T2的下降更为明显。此外，电池的最大温度（T3）和最大温升速率（Max dT/dt）也随着老化而降低，表明电池的热危害性降低。

老化机制分析：通过SEM、EDS、XPS和XRD等表征手段，研究者们发现锂离子电池的老化机制主要与锂金属的沉积（锂金属化）有关。在低温循环和高倍率循环路径下，锂金属化现象更为严重，导致电池内阻增加和热稳定性下降。而在高温循环和高温存储路径下，锂金属化现象相对较轻，但电池的结构稳定性受到更大影响，导致热稳定性下降。

电池组件的热稳定性：通过差示扫描量热法（DSC）和ARC测试，研究者们分析了不同老化路径下电池组件（包括正极、负极、隔膜等）的热稳定性。结果表明，不同老化路径对电池组件的热稳定性有不同的影响，尤其是在高温条件下，电池组件的热稳定性下降更为显著。

结论：

锂金属化是关键老化机制：锂金属化是导致锂离子电池热安全性能下降的共同关键机制。在低温循环和高倍率循环路径下，锂金属化现象更为严重，导致电池内阻增加和热稳定性显著下降。

热稳定性下降与电化学性能退化同步：电池的老化导致热稳定性下降的同时，电化学性能也显著退化，如内阻增加、IC曲线谷值深度变化和DTV曲线峰谷斜率变化等。

非破坏性热安全评估方法：基于老化机制同时影响电化学特性和热安全特性的原理，研究者们建立了电化学特性观察指标与热安全特性参数之间的映射关系，实现了锂离子电池全生命周期内的非破坏性热安全评估。

产品推荐：

热失控实验：使用HEL BTC-130标准电池绝热加速量热仪进行绝热条件下热失控测试：

定制的锂离子电池（如软包电池）l将测试电池在25℃环境下静置24小时，以确保电池处于稳定状态。

使用恒流恒压充电器将电池充电至满电状态（如4.2V），充电电流为0.33C。

设置初始温度（如35℃），并进行初始校准，记录电池的初始温度和自加热率。

当自加热率超过0.02℃/min时，设备进入跟踪阶段，记录电池的温度变化。

设备会持续跟踪电池的自加热过程，直到电池温度达到热失控阶段。

记录电池的自加热初始温度（T1）、热失控触发温度（T2）、最大温度（T3）和最大温升速率（Max dT/dt）。

分析热失控过程中电池的温度变化曲线，评估电池的热安全性能。

来源:Zhang, G., Wei, X., Wang, X., Chen, S., Zhu, J., & Dai, H. (2024). Evolution mechanism and non-destructive assessment of thermal safety for lithium-ion batteries during the whole lifecycle. Nano Energy, 126, 109621.

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

　　2001年成立的北京绿绵科技有限公司(简称：绿绵科技)以体现客户服务价值为宗旨，以专业精神和技能为广大实验室分析工作者提供样品前处理、样品制备及分析、实验数据精确分析和管理的全面解决方案，致力于协助客户提高分析检测的效率和水平。

　　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。