H.E.L鋰離子電池老化研究— BTC-130標(biāo)準(zhǔn)電池絕熱量熱儀的應(yīng)用

編者薦語(yǔ)：

鋰離子電池已成為便攜式電子設(shè)備、電動(dòng)汽車和可再生能源系統(tǒng)等領(lǐng)域的主流儲(chǔ)能技術(shù),。然而,，鋰離子電池不可避免地會(huì)發(fā)生老化,，導(dǎo)致容量和功率衰減,，甚至可能引發(fā)安全問(wèn)題。本文介紹了鋰離子電池老化研究—BTC-130 標(biāo)準(zhǔn)電池絕熱量熱儀的應(yīng)用,。

以下文章來(lái)源于HEL Group ,，作者H.E.L Group

前言

鋰離子電池因其高能量密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命和環(huán)境友好性，已成為便攜式電子設(shè)備,、電動(dòng)汽車和可再生能源系統(tǒng)等領(lǐng)域的主流儲(chǔ)能技術(shù),。然而，隨著使用時(shí)間的增加,，鋰離子電池不可避免地會(huì)發(fā)生老化,，導(dǎo)致容量和功率衰減，甚至可能引發(fā)安全問(wèn)題,。這種老化現(xiàn)象不僅影響設(shè)備的使用壽命和性能,，還可能帶來(lái)安全隱患，例如智能手機(jī)電池爆炸,、電動(dòng)汽車起火等,。因此，研究鋰離子電池的老化機(jī)制,、降低老化速率以及避免安全風(fēng)險(xiǎn),，成為當(dāng)前研究的關(guān)鍵焦點(diǎn)。鋰離子電池的老化狀態(tài)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

• 容量衰減：隨著使用時(shí)間的增加,，電池的容量會(huì)逐漸下降,。

• 內(nèi)阻增加：電池內(nèi)阻的增加會(huì)導(dǎo)致功率輸出降低，這主要是由于固體電解質(zhì)界面（SEI）膜的生長(zhǎng),、電極材料的結(jié)構(gòu)變化以及電解液的分解,。

• 電極材料退化：負(fù)極的石墨顆粒可能出現(xiàn)裂紋,，正極材料的結(jié)構(gòu)可能發(fā)生坍塌,，這些都會(huì)導(dǎo)致電池性能下降。

• 電解液分解：電解液在長(zhǎng)期使用中會(huì)發(fā)生分解,，尤其是在高溫條件下,，這會(huì)進(jìn)一步加劇電池的老化

因此，通過(guò)對(duì)鋰離子電池老化研究對(duì)于提升電池性能,、保障使用安全以及推動(dòng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展具有重要意義,。

案例：鋰離子電池猝死：安全退化及失效機(jī)制

背景:環(huán)境污染和能源短缺是當(dāng)前全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要障礙。為了克服這些挑戰(zhàn),，向清潔,、低碳、智能,、高效的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變至關(guān)重要,。車輛電氣化在能源革命中扮演著關(guān)鍵角色，也是推動(dòng)新發(fā)展模式的強(qiáng)大動(dòng)力,。近年來(lái),，電動(dòng)汽車技術(shù)取得了快速發(fā)展,，電動(dòng)汽車的普及程度不斷提高。然而,，與電動(dòng)汽車相關(guān)的安全問(wèn)題也日益突出,，成為制約電動(dòng)汽車廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。鋰離子電池的安全事故主要由電池內(nèi)部的熱失控引起,。電池在制造時(shí)會(huì)經(jīng)過(guò)一系列嚴(yán)格的安全測(cè)試,，但在其使用壽命內(nèi)，復(fù)雜的內(nèi)部老化機(jī)制會(huì)改變其安全操作窗口,，導(dǎo)致安全事故,。

研究方法：研究鋰離子電池在不同老化路徑下的突發(fā)死亡（sudden death）現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：研究中使用了定制的3.9Ah軟包鋰離子電池,，設(shè)計(jì)了四種老化路徑：低溫循環(huán)（L）,、高倍率循環(huán)（F）、高溫循環(huán)（H）和高溫日歷老化（R）,。通過(guò)不同的老化路徑來(lái)模擬實(shí)際使用中的不同工況,。

老化測(cè)試：在不同的老化路徑下對(duì)電池進(jìn)行循環(huán)測(cè)試，并定期在25℃下進(jìn)行容量校準(zhǔn),。

電化學(xué)性能測(cè)試：通過(guò)電化學(xué)阻抗譜（EIS）和增量容量（IC）曲線分析電池的老化狀態(tài),。

熱失控測(cè)試：使用加速量熱儀（ARC）對(duì)老化到特定狀態(tài)的電池進(jìn)行熱失控測(cè)試。

后處理表征測(cè)試：對(duì)老化到特定狀態(tài)的電池進(jìn)行解剖,，分析氣體成分,、電極外觀、表面元素分布,、表面成分和結(jié)構(gòu)等,。

結(jié)論：鋰金屬沉積是主要失效機(jī)制：研究發(fā)現(xiàn)，不同老化路徑下鋰離子電池突發(fā)死亡的主要失效機(jī)制是鋰金屬沉積,。鋰金屬沉積的形成機(jī)制在不同老化路徑下有所不同：

• 在低溫循環(huán)（L）和高倍率循環(huán)（F）路徑下,，石墨中鋰離子的嵌入速率有限，導(dǎo)致鋰金屬沉積,。

• 在高溫循環(huán)（H）和高溫日歷老化（R）路徑下,，局部負(fù)極干燥和電位分布不均導(dǎo)致鋰金屬沉積。

突發(fā)死亡對(duì)電池性能的影響：突發(fā)死亡顯著降低了電池的電化學(xué)性能和熱安全性,，但不同老化路徑下的性能演變有所不同：

• 在低溫循環(huán)（L）和高倍率循環(huán)（F）路徑下,，突發(fā)死亡主要影響負(fù)極界面的極化過(guò)程，對(duì)電池?zé)岚踩缘挠绊懜鼮閲?yán)重,。

• 在高溫循環(huán)（H）和高溫日歷老化（R）路徑下,，突發(fā)死亡主要影響電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程，對(duì)電池?zé)岚踩缘挠绊懴鄬?duì)較輕,。

熱安全性退化：突發(fā)死亡顯著降低了電池的熱穩(wěn)定性,，不同老化路徑下熱穩(wěn)定性的退化程度有所不同,。在高溫條件下,，由于鋰金屬沉積與電解液的快速反應(yīng),，負(fù)極的熱穩(wěn)定性在高溫路徑下略高于低溫路徑。

產(chǎn)品推薦：

熱失控實(shí)驗(yàn)：使用HEL BTC-130標(biāo)準(zhǔn)電池絕熱加速量熱儀進(jìn)行絕熱條件下的熱失控測(cè)試：

所有電池在測(cè)試前均被充電至100%的荷電狀態(tài)（SOC）

測(cè)試模式為“絕熱”（Adiabatic）,。

當(dāng)電池在檢測(cè)階段的自發(fā)熱速率超過(guò)0.02℃/min時(shí),，ARC進(jìn)入跟蹤模式，用于監(jiān)測(cè)電池自發(fā)熱情況

初始溫度：35℃,，溫度增量：5℃,，首次校準(zhǔn)時(shí)間：90分鐘，其他校準(zhǔn)時(shí)：20分鐘,，調(diào)整時(shí)間：20分鐘,，最大溫度搜索范圍：300℃，放熱檢測(cè)限：0.02℃/min,，搜索時(shí)間：10分鐘,，最大跟蹤溫度：300℃

通過(guò)ARC測(cè)試，研究電池在不同老化路徑下突發(fā)死亡（sudden death）后熱失控行為的變化,，包括自發(fā)熱初始溫度（T1）,、熱失控觸發(fā)溫度（T2）、最大溫度（T3）和最大溫升速率（Max dT/dt）等關(guān)鍵參數(shù)的變化,。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

研究發(fā)現(xiàn),，突發(fā)死亡顯著降低了電池的熱穩(wěn)定性，不同老化路徑下的熱失控特性演變有所不同：

• 低溫循環(huán)（L）和高倍率循環(huán)（F）路徑：突發(fā)死亡后,，電池的T1和T2顯著降低,，表明熱穩(wěn)定性下降更為嚴(yán)重。

• 高溫循環(huán)（H）和高溫日歷老化（R）路徑：突發(fā)死亡后,，T1和T2也顯著降低,，但熱穩(wěn)定性下降程度相對(duì)較小。

• 最大溫度（T3）和最大溫升速率（Max dT/dt）：在突發(fā)死亡后,，T3和Max dT/dt均顯著降低,，表明電池的熱危害在突發(fā)死亡后有所減少。

來(lái)源:

Zhang, G., Wei, X., Wang, X., Zhu, J., Chen, S., Wei, G., ... & Dai, H. (2024). Lithium-ion battery sudden death: Safety degradation and failure mechanism. e Transportation, 20, 100333.

關(guān)于HEL：

H.E.L——Hazard Evaluation Laboratories 成立于1987年,，總部設(shè)在倫敦,，在中國(guó)、美國(guó),、德國(guó),、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,。

關(guān)于綠綿科技

　　2001年成立的北京綠綿科技有限公司(簡(jiǎn)稱：綠綿科技)以體現(xiàn)客戶服務(wù)價(jià)值為宗旨,，以專業(yè)精神和技能為廣大實(shí)驗(yàn)室分析工作者提供樣品前處理、樣品制備及分析,、實(shí)驗(yàn)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(cè)的效率和水平。

　　主要代理產(chǎn)品：GC/MS/MS,LC/MS/MS新機(jī)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(diǎn)滲透壓儀,、液相/超高壓液相色譜儀、在線SPE液相色譜儀/法國(guó)F-DGSi氮?dú)?，超高純氫氣氣體發(fā)生器,，液氮發(fā)生器/Cytiva生命科學(xué)設(shè)備/LabOS實(shí)驗(yàn)室運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)/MassWorks準(zhǔn)確質(zhì)量數(shù)測(cè)定及分子式識(shí)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(bào)告系統(tǒng)（QRS)/英國(guó)赫伊爾生物反應(yīng)器，電池絕熱量熱,、催化劑合成,。

2025-YJ02-7/28