H.E.L鋰電池的電氣濫用研究— BTC-130標準電池絕熱量熱儀的應(yīng)用

前言

鋰離子電池電氣濫用研究是電池安全領(lǐng)域的一個重要課題,，特別是在電動汽車和大規(guī)模儲能系統(tǒng)中。電氣濫用主要包括過充（Overcharge, OC）和過放（Overdischarge, OD）,，這些情況在實際應(yīng)用中經(jīng)常發(fā)生,，對電池的安全性和壽命有顯著影響：

過充影響：過充會導致鋰離子在負極表面沉積，形成金屬鋰,。這些金屬鋰具有較高的反應(yīng)性,，容易與電解液發(fā)生反應(yīng)，釋放大量熱量,，降低電池的熱穩(wěn)定性,。

過放影響：過放會導致銅集流體溶解，銅離子遷移到正極并沉積,，形成銅枝晶,。這些銅枝晶可能會穿透隔膜,，引發(fā)內(nèi)部短路，導致熱失控,。

氣體生成：電濫用可能導致電池內(nèi)部生成大量氣體,，增加電池內(nèi)部壓力，可能導致電池膨脹甚至破裂,。

容量退化：輕微電濫用會逐漸降低電池的容量,。過充和過放都會導致電池內(nèi)部的活性材料損失，減少電池的可用容量,。

內(nèi)阻增加：電濫用會導致電池內(nèi)部的電極結(jié)構(gòu)變化,，增加電池的內(nèi)阻。內(nèi)阻增加會降低電池的充放電效率,，導致電池在高電流充放電時的電壓降增大,。

電壓特性變化：電濫用會改變電池的電壓特性，導致電池在充放電過程中的電壓平臺發(fā)生變化,。這會影響電池的充放電管理策略,，降低電池的使用效率。

電濫用對鋰離子電池的影響是多方面的,，涉及安全,、性能、壽命和成本等多個方面,。通過實驗和分析,，可以深入理解電濫用對電池的影響機制，為電池的安全管理和設(shè)計提供重要的指導,。

案例：揭示輕微電濫用對鋰離子電池熱安全特性的影響

背景:鋰離子電池因其高能量密度和長使用壽命,，在電動汽車領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而,，高能量密度的鋰離子電池熱穩(wěn)定性較差,，安全性能較弱。輕微電濫用,，如過充（OC）和過放（OD）,，在實際應(yīng)用中經(jīng)常發(fā)生，對電池的安全性有顯著影響,。文章通過實驗和分析,，深入探討了輕微電濫用對電池熱特性的影響，包括熱量生成和熱失控特性,，并揭示了導致這些變化的內(nèi)在機制,。

研究方法：使用商用18650型鋰離子電池進行實驗，包括電濫用測試,、容量增量（IC）測試,、熱量生成測試,、熱失控測試和特性分析測試。在絕熱條件下測量電池在充放電過程中的熱量生成,。在絕熱條件下測試電池的熱失控特性,，包括自加熱溫度（T1）、熱失控觸發(fā)溫度（T2）和最高溫度（T3）,。使用掃描電子顯微鏡（SEM）,、能量色散光譜（EDS）、X射線光電子能譜（XPS）和X射線衍射（XRD）等技術(shù)分析電池電極的形態(tài),、結(jié)構(gòu)和成分變化,。

結(jié)論：輕微電濫用對鋰離子電池熱特性有顯著影響：顯著增加了電池在絕熱條件下的熱量生成，尤其是輕微過放對熱量生成的影響更大,。在充電過程中,，輕微過放導致的溫度升高比輕微過充高6.4℃；在放電過程中,，輕微過放導致的溫度升高比輕微過充高5℃,。

輕微電濫用降低了電池的熱穩(wěn)定性：輕微電濫用降低了電池的自加熱溫度，表明電池熱穩(wěn)定性下降,。輕微過充導致自加熱溫度下降17℃,，比輕微過放的影響更顯著。輕微電濫用對熱失控過程中的最高溫度影響不大,，但顯著降低了最大放熱速率,，尤其是輕微過放的影響更為明顯。

輕微電濫用導致電池內(nèi)部退化：輕微過充導致IC曲線中峰值①的幅度增加,，表明負極內(nèi)部鋰含量增加,，但對其他峰值的影響不大，說明輕微過充未損壞活性材料,。輕微過放不僅導致峰值①的幅度增加，還導致峰值④的幅度略有下降,，表明輕微過放導致活性材料輕微損失,，并且IC曲線向低電壓方向移動，表明輕微過放導致導電性下降,。 

產(chǎn)品推薦：

熱失控實驗：使用絕熱加速量熱儀（HEL BTC-130）,，H-W-S（Heat-Wait-Search）模式，初始溫度：35℃,，初始校準時間：90分鐘,，其他校準時間：20分鐘，溫度臺階：5℃,，等待時間：15分鐘,，搜索時間：5分鐘,，最高跟蹤溫度：300℃。

實驗結(jié)果：

自加熱溫度（T1）：新鮮電池的T1為95.8℃,，輕微過放后的電池T1為82.1℃,，輕微過充后的電池T1為78.8℃。

熱失控觸發(fā)溫度（T2）：新鮮電池的T2為163℃,，輕微過放后的電池T2為166℃,，輕微過充后的電池T2為161.1℃。

最高溫度（T3）：新鮮電池的T3為589.9℃,，輕微過放后的電池T3為563.7℃,，輕微過充后的電池T3為591.6℃。

最大放熱速率：新鮮電池的最大放熱速率為4332℃/min,，輕微過放后的電池為4090℃/min,，輕微過充后的電池為4103℃/min,。

來源

Zhang, G., Wei, X.,Chen, S., Zhu, J., Han, G., & Dai, H. (2021). Revealing the Impact of

Slight Electrical Abuse on the Thermal Safety Characteristics for Lithium-Ion Batteries. ACS Applied Energy Materials, 4, 12858?12870. 

About H.E.L

Hazard Evaluation Laboratories 成立于1987年，總部設(shè)在倫敦，在中國,、美國、德國,、意大利,、印度擁有分公司。全資的赫伊爾商貿(mào)（北京）有限公司于 2020年在北京設(shè)立,。H.E.L最初是一家過程工藝優(yōu)化及反應(yīng)危害評估的專業(yè)咨詢機構(gòu),，對研究機構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)承接工藝過程研發(fā)項目；同時提供安全咨詢,，包括事故調(diào)查,、HAZOP研究、安全設(shè)施的設(shè)計及制度管理等,。目前,，H.E.L是全球首屈一指的過程工藝及安全專業(yè)咨詢機構(gòu)，同時已經(jīng)發(fā)展成為一家致力于為客戶提供專業(yè)的過程工藝優(yōu)化及反應(yīng)危害評估設(shè)備的國際集團企業(yè),。

關(guān)于綠綿科技

　　2001年成立的北京綠綿科技有限公司(簡稱：綠綿科技)以體現(xiàn)客戶服務(wù)價值為宗旨,，以專業(yè)精神和技能為廣大實驗室分析工作者提供樣品前處理、樣品制備及分析,、實驗數(shù)據(jù)精確分析和管理的全面解決方案,，致力于協(xié)助客戶提高分析檢測的效率和水平。

　　主要代理產(chǎn)品：GC/MS/MS,LC/MS/MS新機租賃業(yè)務(wù)/LUMTECH循環(huán)制備液相/靜音型雙頻超聲清洗/Knauer研發(fā),，中試和生產(chǎn)脂質(zhì)納米顆粒（LNP)碰撞噴射混合器系統(tǒng)/冰點滲透壓儀,、液相/超高壓液相色譜儀、在線SPE液相色譜儀/法國F-DGSi氮氣,，超高純氫氣氣體發(fā)生器,，液氮發(fā)生器/Cytiva生命科學設(shè)備/LabOS實驗室運營系統(tǒng)/MassWorks準確質(zhì)量數(shù)測定及分子式識別系統(tǒng)/MsMetrix氣質(zhì)香精香料分析軟件/Sin-QuEChERS農(nóng)殘凈化柱/制藥企業(yè)質(zhì)量回顧性報告系統(tǒng)（QRS)/英國赫伊爾生物反應(yīng)器,，電池絕熱量熱、催化劑合成,。

2025-YJ02-3/24