市面上的電(dian)瓶車品牌種類繁多，但其能量來源基本以鋰(li)電(dian)池(chi)或鉛酸電(dian)池(chi)為(wei)主。作為(wei)重點(dian)關(guan)注鋰(li)電(dian)池(chi)熱安全測試解決(jue)方案的行業專(zhuan)家，我們將從更加(jia)科學的角度，帶您(nin)了解電(dian)池(chi)熱失控背后(hou)的機(ji)理(li)。

　　鋰電池熱失控測試與(yu)關鍵儀器(qi)

　　熱失控(kong)指電(dian)池單體放(fang)熱連鎖反應引起(qi)電(dian)池溫度不可(ke)控(kong)上(shang)升的現象。造成動(dong)力電(dian)池熱失控(kong)的誘因(yin)(yin)主(zhu)要有機(ji)械(xie)濫用、電(dian)濫用和熱濫用，熱失控(kong)可(ke)能(neng)由這三(san)個因(yin)(yin)素(su)單獨(du)或(huo)者耦合誘發。

 圖1 鋰電池熱失控(kong)過(guo)程圖[1]

　　結合電池(chi)材料熱穩定性與(yu)分解特征，鋰(li)電池(chi)熱失控過(guo)程大(da)致分為三個階段：

　　(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自身發熱，使得電池內部溫度上升至90~100℃左右，SEI膜開始收縮分解，正負極材料與電解質發生接觸，負極開始與電解液反應，放出熱量進一步提高溫度;

　　(2)電池放氣鼓包階段：鋰電池溫度持續上升至200℃以上，正極發生分解反應，釋放熱量并產生氣體，使得電解質發生分解，進一步升溫;

　　(3)電池熱失控爆炸階段：*的溫度，導致鋰電池發生大規模內短路，電解液燃燒放出大量熱量與氣體，進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，關于鋰電池熱失控方面的研究也是鋰電池行業研究的熱點。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生熱失控時是否發生起火、爆炸。

　　如若發生起火、爆(bao)(bao)炸，試(shi)驗(yan)終止且判定型式試(shi)驗(yan)不(bu)合(he)格，直(zhi)接影(ying)響(xiang)產品的出廠使用;UL 9540A:2018側重于檢測(ce)儲能系(xi)統(tong)(tong)(tong)用電(dian)(dian)芯發生熱失(shi)控時，對其起火特性(xing)進行(xing)評估，獲得相關數據，以(yi)(yi)用于確定儲能系(xi)統(tong)(tong)(tong)防火防爆(bao)(bao)措施;UL 1973:2018側重于檢測(ce)電(dian)(dian)池(chi)系(xi)統(tong)(tong)(tong)中電(dian)(dian)芯發生熱失(shi)控時，對周(zhou)圍電(dian)(dian)芯及電(dian)(dian)池(chi)系(xi)統(tong)(tong)(tong)的影(ying)響(xiang)，獲得相關數據，以(yi)(yi)便(bian)通(tong)過電(dian)(dian)芯設計減(jian)少單(dan)個電(dian)(dian)芯失(shi)效時對整個電(dian)(dian)池(chi)系(xi)統(tong)(tong)(tong)的影(ying)響(xiang)。

　　GB/T 36276-2018和 UL 9540A:2018觸(chu)發(fa)電芯熱失控的(de)方法均(jun)為加(jia)熱法[2]。UL 1973:2018除采用(yong)外(wai)部加(jia)熱法外(wai)，提供了多(duo)種觸(chu)發(fa)熱失控方法，包(bao)括內(nei)部缺陷類：導電污染物、隔膜破壞、內(nei)部加(jia)熱器(qi);外(wai)部應(ying)力(li)類：外(wai)部加(jia)熱器(qi)、擠壓機制、針刺、短路、過(guo)充。

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

 圖2 GB/T36276-2018 熱(re)失(shi)控試驗加熱(re)裝置示(shi)意(yi)圖[2]

　　以18650電(dian)(dian)池為例，可利用小型電(dian)(dian)池絕(jue)熱(re)量熱(re)儀(yi)進(jin)行(xing)測試。利用儀(yi)器的H-W-S工作(zuo)模式(shi)進(jin)行(xing)熱(re)失控實驗(yan)，可以得到如圖3所示的電(dian)(dian)池熱(re)失控溫(wen)升(sheng)曲(qu)線。曲(qu)線前半部(bu)分為“H-W-S” 模式(shi)，儀(yi)器將通過外部(bu)加熱(re)實現電(dian)(dian)池臺(tai)階式(shi)升(sheng)溫(wen)，并重(zhong)復(fu)進(jin)行(xing)加熱(re)-等待-搜尋過程，直至檢(jian)測到鋰電(dian)(dian)池開始自放熱(re)。

　　隨后儀器(qi)將(jiang)自動跳(tiao)轉為“絕(jue)熱追蹤”模(mo)式(shi)，電加(jia)熱系統將(jiang)控制電池(chi)(chi)周圍的(de)環境溫(wen)(wen)度(du)緊跟電池(chi)(chi)溫(wen)(wen)度(du)變化，確保電池(chi)(chi)產熱*用于升高自身溫(wen)(wen)度(du)。通過鋰電池(chi)(chi)熱失控曲線，我們可以對其中(zhong)一些特殊的(de)溫(wen)(wen)度(du)點進行測定和分析，評估電池(chi)(chi)的(de)熱安(an)全性(xing)能。

　　例如，Tonset是鋰(li)電(dian)池(chi)(chi)自放熱起始溫(wen)度(du)(du)(du)，電(dian)池(chi)(chi)自產熱速率高(gao)(gao)(gao)(gao)于0.02 ℃/min，可(ke)以認(ren)為該(gai)溫(wen)度(du)(du)(du)下(xia)SEI膜開始分(fen)解。高(gao)(gao)(gao)(gao)于此(ci)溫(wen)度(du)(du)(du)，電(dian)池(chi)(chi)將(jiang)出(chu)現明(ming)顯的(de)(de)(de)自產熱;而TTR是熱失(shi)控(kong)(kong)引發(fa)溫(wen)度(du)(du)(du)，一(yi)般(ban)定義為電(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)(de)自產熱速率高(gao)(gao)(gao)(gao)于1℃/s 的(de)(de)(de)溫(wen)度(du)(du)(du)。在(zai)此(ci)溫(wen)度(du)(du)(du)后，電(dian)池(chi)(chi)將(jiang)出(chu)現劇烈溫(wen)升，溫(wen)升速率可(ke)能(neng)高(gao)(gao)(gao)(gao)達105 ℃/min，同(tong)時(shi)一(yi)般(ban)會伴隨(sui)產生(sheng)大量的(de)(de)(de)光和熱;Tmax是鋰(li)電(dian)池(chi)(chi)熱失(shi)控(kong)(kong)過程能(neng)達到(dao)的(de)(de)(de)最高(gao)(gao)(gao)(gao)溫(wen)度(du)(du)(du)。

 圖3 18650電(dian)池熱(re)失控測(ce)試溫升曲線

　　小型電池絕熱量熱儀僅能滿足18650等小型鋰電池的熱失控實驗需求，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行測試。大型電池絕熱量熱儀不僅能夠通過程序升溫等熱濫用方式誘發電池熱失控，還可以進行過充、過放、外部短接等電濫用以及針刺、擠壓等機械濫用實驗，并測定熱失控相關數據。

　　另外，大型電(dian)池(chi)(chi)量(liang)熱(re)儀還(huan)可以通過(guo)內(nei)置攝像頭直觀地觀察實驗(yan)現象。經了解，熱(re)失(shi)控發(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)后(hou)(hou)，伴隨(sui)著(zhu)溫度急(ji)劇變(bian)化，電(dian)池(chi)(chi)將經歷發(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)氣體(ti)噴出、火焰噴射、燃燒(shao)和熄滅結束四(si)個階段。研究(jiu)表明，電(dian)池(chi)(chi)熱(re)失(shi)控過(guo)程(cheng)產生(sheng)(sheng)(sheng)的(de)烷烴類氣體(ti)和電(dian)解液(ye)蒸氣與氧(yang)氣混合后(hou)(hou)極易(yi)被引燃，隨(sui)即(ji)可發(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)爆(bao)炸式燃燒(shao)[3]。

　　最后，仰儀科技倡導，安全無小事，希望大家(jia)不要將電瓶車(che)或電池帶入電梯及家(jia)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(san)發生機理、預防措施及標準(zhun)檢測方法淺(qian)析.北(bei)京鑒衡認證中心

　　[3] 孫金華,王青松. 鋰離子電池火災防控(kong)技(ji)術(shu)(shu)關鍵技(ji)術(shu)(shu)及應用.中國(guo)消防協(xie)會(hui)科技(ji)成(cheng)果鑒定會(hui).2021:2

　　[4] 羨(xian)學(xue)磊(lei)，董(dong)海(hai)斌等. 三元鋰離子動力電(dian)池熱失控及火災(zai)特性研究，《儲能科(ke)學(xue)與技術》 2020. 19(01):239-249