一. 前言
在全球积极推进碳达峰与碳中和的背景下，新能源汽车产业作为实现这一目标的关键一环，战略地位愈发凸显。锂离子电池作为新能源汽车的动力源泉，它的能量密度与车辆续航里程、重量及成本都息息相关。但是，随着能量密度提升，热失控风险及热失控的剧烈程度也随之加剧。为深入剖析高比能量电池的热失控特性，为电动汽车的热管理系统设计提供科学依据，我司应用研究团队与重庆理工大学林春景副教授课题组利用BAC-420A大型电池绝热量热仪，针对NCM锂离子液态电池和锂金属半固态电池进行绝热热失控测试，并对热失控过程中的催化反应进行对比研究，相关成果已在 Journal of Energy Storage 学术期刊发表。
二. 实验仪器介绍
大型电池绝热量热仪，作为电池热安全性评估的关键设备，可精确检测到电池在绝热环境下的热失控特征，同步记录电池在各种滥用条件下的电压、电流、温度、时间等状态信息，经电学、热学、光学数据的协同处理，揭示电池热失控机理，精确量化电池热稳定性与致灾危害，能为电池单体及模组安全性能评估、热管理开发、热失控主动防控研究提供可靠数据支撑。
本次研究采用的BAC-420A大型电池绝热量热仪专为大型电池单体及小型模组设计，其绝热腔体有效尺寸达 420×520mm，可满足长边不超过 600mm电池的热失控测试需求。该仪器绝热性能卓越，壁样温差≤0.5℃，自放热检测灵敏度可达到0.005°C/min，远超行业常规检测阈值 0.02°C/min。能够敏锐捕捉电池热失控过程中的细微温度变化，精准测定自放热起始温度（Tonset）、热失控起始温度（TTR）、热失控最高温度（Tmax）及最大温升速率(dT/dt)max等关键热动力学参数。同时该仪器符合 GB/T 36276 - 2023《电力储能用锂离子电池》“绝热温升特性” 实验要求。为电池安全性能评估、热管理开发及热失控防控研究提供有力的数据支持。此外，该仪器还荣获2024年“国产好仪器”称号，口碑备受赞誉。
BAC-420A大型电池绝热量热仪
三. 实验过程及结果
（一）实验过程
样品准备：实验样品涵盖不同镍含量的 NCM 三元液态电解质锂离子电池和 NCM622 半固态锂金属电池。其中，NCM 液态电解质电池依镍含量差异可分为中镍（NCM532 / 石墨、NCM622 / 石墨）、高镍（NCM811 / 石墨）和超高镍（NCM90505 / 石墨）电池。
仪器校准：
Step1：采用温差基线模式，以与电池样品尺寸相同的标准铝块对仪器进行校准。
Step2：利用标准铝块进行HWS模式测量其自发热速率。唯有铝块在搜索期间各台阶升温速率均不超过±0.003°C/min 时，仪器绝热性能方可满足后续电池热失控测试要求。
实验操作：将电池置于电池绝热量热仪炉腔内，采用HWS模式开展绝热热失控测试。实验分为台阶升温阶段和绝热追踪阶段。实验开始时，电池首先进行加热-等待-搜寻的台阶升温模式，直到台阶搜索阶段样品的升温速率大于0.02°C/min 检测阈值，进入绝热跟踪阶段，炉体温度追踪样品温度直至电池热失控。
（二）实验结果
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热失控特征参数分析
采用BAC-420A大型绝热电池绝热量热仪测定9种不同电池的热失控特征参数，结果如图2-图7、表2所示：
1.不同NCM液态锂离子电池的Tonset一般在80-90°C范围内，表明锂离子液态电池的SEI膜分解机制与正极材料相关性较小。随着系统中镍含量占比的增加，热失控孕育时间和持续时间缩短，而热失控过程中释放的单位Ah能量、能量释放速率和质量损失率均增加，说明热失控的剧烈程度随着电池能量密度的增加而增加
2.同一体系的方形和软包锂离子电池的热失控过程存在差异。方形电池的TTR随着镍含量的增加而降低，从NCM532的186.49°C逐渐降低至NCM90505的156.92°C，而软包电池的TTR保持在190°C左右。此外，软包电池在达到TTR后会有一个诱导期才会快速升温。
3. 锂金属半固态电池的Tonset低于75°C，Tmax超过1420°C，热失控持续时间最短，热失控后的质量损失率接近100%。这表明与高镍和超高镍NCM三元锂离子电池相比，锂金属半固态电池的热稳定性更低，热失控更严重，潜在的热危害更大。
部分实验数据展示
- 两步自催化反应模型的应用
依据BAC-420A所测热失控关键参数，本研究率先将两步自催化反应模型应用于电池自加热过程的表观动力学分析。结果表明，该模型有效地模拟了热失控孕育阶段的表观热动力学过程，并揭示了孕育阶段反应的活化能随着能量密度的增加而降低的规律。
部分实验数据展示
四. 结论
本研究利用BAC-420A大型电池绝热量热仪对高能密度电池的热失控行为进行了深入研究，揭示了关键的热失控特性和规律与镍含量、电池封装形式的关系等。这些发现不仅为优化长续航动力电池的热管理和安全预警设计提供了参考，也为未来电池材料的选择和电池结构的设计提供了重要依据。随着新能源汽车产业的不断发展，对电池热安全性的研究将继续深入，以推动技术进步和产业可持续发展。
