簡介

電池是一種能夠儲存能量并通過電化學反應將儲存的化學能轉(zhuǎn)化為能量的裝置。電池通常是由電池組成的模塊和集成成包。在最基本的層面上，電化學電池由兩個電極(陽極和陰極)和電解質(zhì)組成。

陽極(負極)和陰極(正極)通常由選擇放棄或接受電子的能力的材料制成。電解質(zhì)是一種允許離子在電極之間流動的物質(zhì)。

一旦連接到電路上，電極就會發(fā)生化學反應，在這些反應中產(chǎn)生的電子通過外部電路傳輸，為電路供電。離子會穿過電解質(zhì)，維持電池內(nèi)的電荷平衡。

用于電池組件的具體材料將根據(jù)電池的類型而變化。例如，傳統(tǒng)上用于汽車的電池通常在陽極含有鉛，在陰極含有二氧化鉛，以及作為電解質(zhì)的硫酸。95%到99%的電池都是鋰離子電池。在這種情況下，陽極通常由石墨制成，陰極是金屬氧化物(如LiCoO2)，有機碳酸鹽(如碳酸乙烯)用作電解質(zhì)。

熱危害是每個儲能系統(tǒng)關注的一個問題。電池的組件被設計用來儲存大量的能量，如果管理不當，這些組件可能會造成嚴重的熱危險，從而導致災難性的結(jié)果。

在開發(fā)電池組件時，關注的主要來源是熱失控。這個過程包括一個正反饋循環(huán)，在這個循環(huán)中，電池釋放的能量進一步推動了反應，因此，如果不加以檢查和控制，就會失控。熱失控的結(jié)果可能導致災難性的后果。

電池組件的熱危害是什么？

電化學電池的主要組成部分——電池的基本組成部分——是陽極、陰極和電解質(zhì)。在電池中，主要關注的來源是電解質(zhì)和陰極。有機碳酸鹽通常用作電解質(zhì)，并且容易發(fā)生分解反應。這些反應涉及分子分解，產(chǎn)生兩種或多種化合物。這些反應通常是放熱的，在這個過程中釋放出能量，這進一步推動了化合物的分解，產(chǎn)生了一種稱為熱失控的連鎖反應。在電解質(zhì)分解的情況下，反應的結(jié)果通常是氣體，其中一些可能是易燃的。電池中的分解反應通常通過電池本身的結(jié)構(gòu)完整性的折衷來證明。

另一方面，陰極通常由金屬氧化物組成，例如LiCoO2。當暴露在高溫下時，比如熱失控引起的高溫，這些金屬氧化物會發(fā)生分解。這種分解的結(jié)果將是金屬加上氧氣。

這就是鋰離子電池的主要問題所在。可燃氣體和氧氣的結(jié)合以及提供的額外熱量可能導致火災和電池爆炸。

隔板是電池的另一個部件，可能容易受到熱危害。分離器設計用于在電池發(fā)生故障時充當陽極和陰極之間的物理屏障，防止短路事件。然而，如今大多數(shù)隔膜都是由聚合物制成的，在某些情況下，聚合物會在高溫下熔化或收縮。如果發(fā)生這種情況，可能會發(fā)生熱失控。

解決方案

絕熱熱量計的設計是為了防止電池與其周圍環(huán)境之間的熱交換。電池在使用壽命期間會經(jīng)歷各種條件的變化，包括加熱和冷卻。了解電池組件在各種溫度和環(huán)境下的行為，以及它們是否容易受到熱逃逸的影響，是至關重要的。絕熱量熱計模擬了電池在運行時無法散熱的最壞情況。BTC-130是一種臺式絕熱量熱計，專門用于組件和電池測試，包括熱應力、電應力和機械應力。使用BTC-130，您可以評估電池的安全性能、安全操作極限以及熱失控的后果。

性能優(yōu)越的電池

我們怎樣才能開發(fā)出性能優(yōu)越的電池?

量熱法是幫助制造更好的電池的基本工具，包括熱穩(wěn)定的電池、更高的能量密度、更短的充電時間和更長的工作時間。在上一節(jié)中，我們描述了電池的不同組件是如何容易因熱危害而失效的。然而，電池不僅僅是其基本組件或子組件，它們之間的相互作用會放大諸如熱失控之類的問題，但也有助于減輕其后果。

了解熱行為

鋰離子電池的電解液和陰極是最容易因熱危害而損壞的部件。我們可以用量熱法來預測可能發(fā)生熱失控的溫度，這可以通過溫度的突然升高來證明。充電/放電等過程會提高電池溫度，從而引發(fā)分解反應。電解液分解產(chǎn)生的能量積累會使溫度升高，從而引發(fā)陰極的分解溫度。這種分解的結(jié)果是氧氣，它與電池中積聚的可燃氣體反應，可能導致火災和爆炸。

此外，在開發(fā)電池時，可以放置額外的元件來防止熱失控，例如分離器。隔膜通常由聚合物組成，結(jié)構(gòu)上有孔，允許離子轉(zhuǎn)移。分離器的設計目的是在高溫下關閉這些孔隙，阻止化學反應。然而，分離器也可能失效，并且在高溫下可能收縮，從而允許離子運動，導致短路。量熱法可以幫助了解分解反應可以釋放多少能量，需要多少溫度才能啟動二次失控反應，以及這樣一個過程的后果。分析的結(jié)果將決定電池可以工作的安全值。

設計熱管理系統(tǒng)

量熱數(shù)據(jù)可以指導電池熱管理系統(tǒng)的設計。散熱器、冷卻風扇和其他散熱策略等元件是保持最佳工作溫度、提高性能、延長壽命和防止危險情況發(fā)生的基礎。

固體電解質(zhì)界面(SEI)

SEI在鋰離子電池的安全性、性能和運行中起著至關重要的作用。SEI是在電池初始充電循環(huán)期間在陽極表面形成的薄層。它是電解質(zhì)和陽極相互作用的結(jié)果，由溶解在有機溶劑中的鋰鹽組成。

SEI作為陽極和電解質(zhì)之間的物理屏障，絕緣但離子導電。由于它阻止了電解質(zhì)和陽極之間進一步的物理接觸，它阻止了陽極的進一步降解，從而允許鋰的移動。然而，經(jīng)過長時間和連續(xù)的充放電循環(huán)，它的容量可能會減弱，導致電池失去保持電荷的能力。此外，它會增加內(nèi)阻，導致充放電效率降低和溫度升高。

加速老化試驗

隨著時間的推移，電池的性能會隨著一系列過程而下降，例如SEI的形成和生長、電解質(zhì)的逐漸降解、電極在電解質(zhì)中的部分溶解以及內(nèi)阻的增加。了解這些過程是預測電池壽命的基礎，也是操作舊電池的后果。當使用加速老化測試時，電池暴露在惡劣的條件下，模擬在較短的時間內(nèi)長期使用。電池的熱響應可以深入了解其性能和安全屬性是如何變化的。

電池故障測試

電極之間電流形成的低電阻路徑會導致短路，導致電池快速放電、過熱和潛在的火災。在電池層面，這一過程可能發(fā)生在許多情況下，比如隔膜破裂或鋰枝晶的形成。當電池充電過快或溫度過低時，就會出現(xiàn)這種情況。鋰離子可以沉積，形成可以通過分離生長的尖狀結(jié)構(gòu)，在陽極和陰極之間形成導電路徑。破壞性測試允許對細胞進行不可逆的物理損傷，例如穿孔，模擬這些過程。

解決方案

優(yōu)越屬性可以指在更安全的條件下性能更好的電池，也可以指在更惡劣的條件下電池的承受能力。

在開發(fā)新電池時，有一些關鍵點:更大的能量存儲，長期充電穩(wěn)定性和高效的放電過程。H.E.L的iso-BTC是一種等溫量熱計，旨在表征正常和延長使用條件下的電池。iso-BTC支持充電/放電單元的集成，允許電池單元的自動重復循環(huán)，同時記錄電性能和熱量演變。

BTC-130和BTC-500是測試電池在其安全限制之外的行為的強大工具。這兩個BTC系統(tǒng)完全集成了充放電單元，以支持電氣壓力測試，包括外部短路。使用絕熱量熱法，BTC-130和BTC-500可以幫助評估電池的熱穩(wěn)定性并表征熱事件。此外，BTC-500可以配備一系列穿刺工具和攝像頭，以表征物理損傷事件。

質(zhì)量控制

量熱法如何幫助細胞通過質(zhì)量控制?
隨著鋰離子電池在工業(yè)、運輸和日?；顒又械膽迷絹碓狡占昂椭匾@些電池的安全性和可靠性變得非常重要。在這篇文章發(fā)表之前的幾個月里，媒體報道了越來越多的鋰離子電池事故。這突出了強有力的測試和強有力的立法以確保用戶安全的重要性。

聯(lián)合國(UN)制定了《測試和標準手冊》(UN 38.3)，為電池的安全運輸制定了標準。本手冊概述了電池必須滿足的測試和要求，以便被認為可以安全運輸。國際電工委員會(IEC)通過IEC 62133也確立了消費電子產(chǎn)品電池的安全標準。在這些標準中，它概述了電氣、機械和環(huán)境方面的要求。同樣，美國保險商實驗室(UL)發(fā)布了UL2054，建立了各種應用的安全標準，包括消費電子、儲能和汽車。

其他發(fā)布電池安全指南的監(jiān)管機構(gòu)包括國際標準化組織(ISO)，該組織發(fā)布了ISO 12405，涵蓋了電動汽車電池在電氣、機械和環(huán)境安全方面的要求。日本工業(yè)標準(JIS)到JIS C 8714和中國國家標準(GB/T)也涵蓋了電池的相同方面。在美國，UL 1642雖然沒有法律約束力，但包含了含鋰電池的建議，并側(cè)重于其熱、機械、電氣特性以及防火和防震性。

因此，我們可以看到越來越多的國內(nèi)立法旨在生產(chǎn)更安全的電池。

共性

立法、指令和電池建議旨在生產(chǎn)更安全的電池，但什么是安全的?

在電氣方面，電池必須承受潛在的壓力，包括過充和過放電，而不會有火災或爆炸的危險。過度充電是由于電壓過高，導致電流在完全充電后流入電池。另一方面，過放電是指電池放電超過較低的安全電壓或以不合適的電流放電。這兩種過程的結(jié)果都是電池過熱，這可能導致產(chǎn)生熱失控。

從機械上講，電池應該能夠承受各種機械應力，如沖擊、振動或擠壓試驗，而不會破裂、泄漏或短路(內(nèi)部和外部)。

電池的運行有時包括可能影響電池的瞬態(tài)條件。這些因素包括高溫(可能導致熱失控)、低溫(降低電解質(zhì)的離子傳輸能力)、濕度或不同的大氣壓力。

正如我們所看到的，由于電池自身的功能或環(huán)境條件，電池可能會導致溫度異常。電池需要能夠散熱以保持安全的工作溫度，從而防止危險情況的發(fā)生。

電池測試

電池在不同的溫度下工作時表現(xiàn)不同，可以定義三個主要的熱區(qū)域:

最佳區(qū)域:電池在最佳條件下工作將表現(xiàn)正常，老化過程將盡可能慢。
安全區(qū)域:電池在此區(qū)域可以正常工作，但性能會受到影響，特別是充放電速度和老化。較高的溫度會導致電解液加速降解。較低的溫度會導致電解質(zhì)的導電性降低，以及鋰有機化合物在SEI上的沉積。
危險區(qū)域:可能導致危險場景的條件。
量熱法是測試電池的寶貴工具。

等溫量熱計將電池保持在一個恒定的溫度，并測量其熱能的變化?？梢员O(jiān)控電池的電輸出，從而提供熱和電行為信息。將儀器與充放電單元集成在一起，可以在各種充放電速率下自動重復循環(huán)電池單元。這種類型的測試可以確定電池在最佳區(qū)域和安全區(qū)域內(nèi)的性能。

另一方面，絕熱量熱計在絕熱條件下維持電池，在絕熱條件下，電池與周圍環(huán)境沒有熱交換。該量熱計允許我們將電池置于安全環(huán)境中的極端條件下，以評估其后果。這些條件包括安全區(qū)外的高溫、電壓和放電電流。一些絕熱量熱計可以配備測試機械應力的手段，如破碎或穿孔。絕熱量熱法使電池在危險區(qū)域內(nèi)的反應得以探索。

解決方案

iso-BTC被設計為等溫量熱計，允許電池性能測試。電池的效率和熱量在特定溫度下的變化，以及充放電率是電池制造商和集成商必須測試的基本參數(shù)。此外，確定安全操作極限以避免熱失控的風險是至關重要的。必須對電池進行測試，以獲得安全工作溫度、最大安全電壓和最大安全電流。這些值可以通過BTC-130和BTC-500獲得。為了使電池和電池供電設備商業(yè)化，這些電池的操作參數(shù)需要適當并符合現(xiàn)行法規(guī)。

我們?nèi)绾螠p輕熱失控的風險?
熱失控一旦開始，就會導致儲存的能量以熱的形式迅速釋放，可能導致火災或爆炸。雖然預防這種過程應該始終是優(yōu)先考慮的，但在某些條件下，會發(fā)生熱失控，因此必須減輕與之相關的風險。

在前面的章節(jié)中，我們廣泛討論了如何理解這一過程:理解會導致熱失控的條件，例如化學成分(陽極和電解質(zhì))，內(nèi)部短路的可能性(例如，在低溫下枝晶生長)，以及外部因素(如高溫或機械損傷)。

絕熱量熱計可以幫助了解熱失控的后果。絕熱量熱法可以幫助確定熱失控可能發(fā)生的溫度(放熱)和電池可以達到的溫度。傳播測試使我們能夠描述熱失控如何影響相鄰細胞，并了解級聯(lián)故障的風險。

然而，假設最壞的情況可能發(fā)生，可以幫助設計方法來減輕熱失控可能造成的潛在損害。

緩解策略

熱管理系統(tǒng):該策略基于散熱，避免在引發(fā)熱失控的熱點處達到高溫。為了達到溫度均勻性，可以使用主動系統(tǒng)(例如液體或空氣冷卻)和被動系統(tǒng)(相變材料，散熱器)等策略。

電池設計和分離器:如前幾節(jié)所述，分離器作為電極之間的物理屏障。這些結(jié)構(gòu)在高溫下激活，關閉離子流動，使電池停止工作。分離器中使用的策略之一是使用在熱失控風險下發(fā)生物理變化的結(jié)構(gòu)，關閉孔隙。

電池管理系統(tǒng)(BMS)。BMS監(jiān)控和管理電池的運行，確保它保持在安全區(qū)的范圍內(nèi)。如果遇到危險情況，BMS可以斷開電池與負載或電源的連接。

物理屏障:在多芯電池中，可以在電池之間放置物理屏障或阻燃材料，以防止或減緩熱傳播。

解決方案
iso-BTC和iso-BTC +允許在測試過程中進行熱映射，突出顯示電池更容易產(chǎn)生熱量的區(qū)域。這些信息可用于設計和實施有效的熱管理策略。此外，使用BTC-130和BTC-500提供的信息可以幫助預測電池的熱行為。檢測分解溫度和由此釋放的熱量可以幫助了解過程中的熱失控。BTC-500可以進一步用于引發(fā)物理引起的熱失控，并使用其集成攝像機捕捉事件展開。

標簽：電池技術(shù)