H.E.L鋰離子電池?zé)崾Э仡A(yù)警研究— BTC-130標(biāo)準(zhǔn)電池絕熱量熱儀的應(yīng)用

編者薦語：

鋰離子電池?zé)崾Э仡A(yù)警是電池安全管理中的重要研究方向。本文分享了BTC-130 標(biāo)準(zhǔn)電池絕熱量熱儀的應(yīng)用案例：鋰離子電池內(nèi)部溫度的超聲監(jiān)測(cè)：熱失控的檢測(cè)與預(yù)防,。

以下文章來源于HEL Group ,，作者H.E.L Group

前言

鋰離子電池?zé)崾Э仡A(yù)警是電池安全管理中的重要研究方向。鋰離子電池在使用過程中可能受到焦耳熱,、反應(yīng)熱和副反應(yīng)熱等因素的影響,，導(dǎo)致熱量積聚，進(jìn)而使電池溫度不斷上升,。在極端情況下,，這種溫度異?？赡芤l(fā)熱失控,，甚至導(dǎo)致爆炸等安全事故。此外,，即使電池配備了安全閥,，仍存在一定概率發(fā)生熱失控，且電池化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的易燃易爆氣體也會(huì)對(duì)系統(tǒng)安全構(gòu)成潛在威脅,。因此,，對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э剡M(jìn)行預(yù)警研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前,，熱失控預(yù)警的特征與方法：

溫升速率：根據(jù)GB 38031－2020《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》,，鋰電池?zé)崾Э氐呐卸l件為溫升速率dT/dt≥1℃/s，且持續(xù)3s以上,。

安全閥開啟特征：在熱失控過程中,，電池安全閥開啟后表面溫度會(huì)出現(xiàn)下降現(xiàn)象。

多特征融合方法：有研究提出基于多特征融合的預(yù)警算法,，如采用DTW-K-means算法區(qū)分異常鋰電池的溫升速率,，并結(jié)合安全閥開啟后的溫度下降特征，有效檢測(cè)熱失控,。

盡管鋰離子電池的發(fā)展迅速,，但熱失控安全管理的研究仍存在不足。未來的研究方向包括：

• 探索更新的相似性匹配和聚類算法,。

• 深入研究更多熱失控前期特征并進(jìn)行多特征融合,。

• 提升預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用性能和可靠性

案例：鋰離子電池內(nèi)部溫度的超聲監(jiān)測(cè)：熱失控的檢測(cè)與預(yù)防

背景:鋰離子電池（LIBs）在消費(fèi)電子、電動(dòng)汽車和固定儲(chǔ)能系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用,。然而,，隨著其使用量的增加，尤其是二手電池在家庭儲(chǔ)能中的應(yīng)用,，安全性問題日益突出,。熱失控是鋰離子電池的一個(gè)關(guān)鍵安全問題，可能導(dǎo)致難以控制的火災(zāi)，造成嚴(yán)重的安全隱患,。因此,，開發(fā)一種能夠快速、低成本地監(jiān)測(cè)鋰離子電池內(nèi)部溫度動(dòng)態(tài)的方法,，并提前預(yù)警熱失控事件,，是當(dāng)前研究的迫切需求。

研究方法：研究團(tuán)隊(duì)采用超聲波分析技術(shù)來監(jiān)測(cè)電池內(nèi)部的溫度變化和結(jié)構(gòu)變化,。實(shí)驗(yàn)使用了210mAh的軟包電池（LCO正極和石墨負(fù)極）,，通過超聲波探頭（5MHz）和超聲波探傷儀（EPOCH 650）進(jìn)行測(cè)量。超聲波信號(hào)的傳播時(shí)間（ToF）被用來推斷電池內(nèi)部的溫度變化,，因?yàn)槁曀倥c材料的密度和彈性模量有關(guān),，而這些特性會(huì)隨溫度變化而改變。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：電池充放電過程中的超聲波監(jiān)測(cè)：通過監(jiān)測(cè)電池在充放電過程中的超聲波信號(hào)變化,，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)電池內(nèi)部材料屬性的變化（如石墨負(fù)極的楊氏模量變化）會(huì)導(dǎo)致聲速變化,，從而影響超聲波的ToF。

溫度預(yù)測(cè)模型：通過已知的電池狀態(tài)（如SoC和溫度）,，研究團(tuán)隊(duì)建立了模型來預(yù)測(cè)超聲波信號(hào)的ToF變化,，并驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性。

局部和均勻加熱實(shí)驗(yàn)：通過局部加熱（使用加熱棒）和均勻加熱（使用溫度箱）的方式,，模擬電池內(nèi)部的不均勻加熱和熱失控過程,，研究超聲波信號(hào)如何響應(yīng)這些變化。

結(jié)論： 超聲波監(jiān)測(cè)的靈敏性：超聲波技術(shù)能夠快速檢測(cè)到電池內(nèi)部的溫度變化,，即使在表面溫度尚未顯著變化時(shí)也能捕捉到內(nèi)部的熱事件,。這比傳統(tǒng)的表面溫度測(cè)量方法（如熱電偶）更靈敏。

多級(jí)預(yù)警系統(tǒng)：研究團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)基于超聲波信號(hào)變化的多級(jí)預(yù)警系統(tǒng)：

• 一級(jí)預(yù)警：當(dāng)超聲波信號(hào)的ToF超出正常操作范圍時(shí)觸發(fā),。

• 二級(jí)預(yù)警：當(dāng)ToF與預(yù)測(cè)值偏離時(shí)觸發(fā),，表明內(nèi)部或不均勻加熱。

• 三級(jí)預(yù)警：當(dāng)超聲波信號(hào)的第一回波峰消失時(shí)觸發(fā),，這通常表明電池內(nèi)部形成了氣體,，可能導(dǎo)致熱失控。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：通過實(shí)驗(yàn),，研究團(tuán)隊(duì)證明了在熱失控發(fā)生之前,，超聲波信號(hào)會(huì)發(fā)生顯著變化，這些變化可以作為早期預(yù)警信號(hào),。例如,，在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)電池加熱到三級(jí)預(yù)警時(shí)停止加熱,，電池并未進(jìn)入不可逆的熱失控狀態(tài),，驗(yàn)證了超聲波技術(shù)的有效性,。

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)行熱失控測(cè)試：

• 選擇待測(cè)試的鋰離子電池（如210mAh的軟包電池）

• 將電池放置在BTC-130的測(cè)試腔內(nèi)，確保電池與加熱元件和溫度傳感器的良好接觸,。

• 在電池表面安裝超聲波探頭,，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化。

• 在電池表面和加熱元件附近安裝熱電偶（K型）,，用于監(jiān)測(cè)電池表面和內(nèi)部的溫度變化,。

• 確保所有傳感器和探頭連接到相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

• 使用BTC-130的加熱元件對(duì)電池進(jìn)行加熱,。加熱方式可以是整體加熱或局部加熱,，具體取決于研究目的。

• 對(duì)于整體加熱,，設(shè)置加熱速率為均勻升溫,，確保電池整體溫度一致。

• 對(duì)于局部加熱,，使用加熱元件對(duì)電池的特定區(qū)域進(jìn)行加熱,，模擬電池內(nèi)部的局部熱失控,。

• 持續(xù)加熱電池,，直至電池進(jìn)入熱失控狀態(tài)。熱失控的特征包括溫度急劇上升,、電池電壓下降,、氣體釋放等。

• 在熱失控過程中,，記錄超聲波信號(hào)的變化,，特別是第一回波峰的消失，這通常表明電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的顯著變化（如氣體生成或電極層分離）,。

來源

Owen, R. E., Wi?niewska, E., Braglia, M., Stocker, R., Shearing, P. R., Brett, D. J. L., & Robinson, J. B. (2024). Operando ultrasonic monitoring of the internal temperature of lithium-ion batteries for the detection and prevention of thermal runaway. Journal of The Electrochemical Society, 171(4), 040525.

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。

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