【研究背景】

鋰離子電池因其高能量密度、無輻射、低自放電、低記憶效應而被廣泛應用于電動汽車（EV）中。隨著電動汽車鋰離子電池的發展，電動汽車需要有更高的續航裏程和更快的充電速度。然而，更高的能量密度和更快的充電增加了鋰離子電池的事故。因此，電池安全問題得到了廣泛的關注，阻礙了目前電動汽車的發展。研究顯示，一旦遭受濫用條件，電池熱失控（TR）等安全問題成為電池的關鍵所在。其中，TR的特點是在電池內産生強烈的熱量，並釋放高溫可燃煙氣，通過化學成分的連鎖反應釋放出大量的能量。在電池模組中，一旦電池發生TR，熱量將通過散熱迅速擴散到鄰近電池，導致熱失控傳播（TRP），電池組的氣體排放也可導致TRP。因此，有必要對電池的TR特性進行研究。

電池濫用包括機械濫用、電濫用和熱濫用。這三種濫用場景通常通過穿刺、過度充電和過熱來模擬。實驗結果表明，較高的SOC和較厚的穿刺會誘發TR，此外，不同的插入位置會影響電壓的下降。在過度充電方面，充電電流幾乎不影響軟包電池的TR特性，導致TR的兩個關鍵因素是軟包電池的破裂和隔膜的熔化。在過熱時，有兩種方法可以觸發TR：側邊加熱和烤箱加熱。不同的側加熱功率對電池模組的TR和TRP有不同的影響。這可以歸因于預熱效應，其中低功率預熱會導致強烈的預熱效果和快速的TRP，而高側加熱功率會削弱預熱效果並減慢TRP。同樣，烤箱中的不同加熱溫度會産生不同的TR結果，環境溫度越高，TR就越嚴重。上述研究表明，TR結果受到許多外部因素的影響。

【成果簡介】

在此，清華大學歐陽明高院士和馮旭寧副教授等人使用四種不同測試方法，包括側邊加熱、穿刺試驗、過充和烤箱加熱，被用來觸發兩種類型的電池（棱柱電池和軟包電池）熱失控問題。同時，研究了幾種安全性能，包括溫度、排氣氣體的量和壓力、氣體成分和熱失控産品的品質。氣相色譜分析結果表明，其主要成分為CO、CO2、H2、C2H4和CH4。在對這兩種電池類型進行的四項測試中，過充被認為是對電池安全構成的最大威脅，這項研究的發現有助于評估與熱失控的不同誘因相關的風險。

相關研究成果以“A comparative study of the venting gas of lithium-ion batteries during thermal runaway triggered by various methods”為題發表在Cell Reports Physical Science上。

【核心內容】

本研究測試了兩種不同類型的商業化大規格電池，如圖1所示。電池A是標稱容量為 156 Ah的棱柱電池，電池B是容量為52 Ah的軟包電池，兩種電池的負極材料均為石墨，正極材料分別為LixNi0.5Co0.2Mn0.3O2和LixNi0.6Co0.2Mn0.2O2。將電池放電至放電結束電壓，靜置30分鐘，最後在實驗開始前充電至100% SOC。

圖 1 兩種電池類型

本文設計了一個用于測試的定容反應器係統，如圖2所示。反應器由不銹鋼制成，可用于測試，包括側加熱、過度充電、穿刺和烤箱加熱。內外氣體的交換必須經過特殊的通道，包括圖2中的進氣/出氣口和氣體處理出口，以保證反應器的氣密性。氣體入口和出口位于反應器的左側。進氣口用于注入N2和空氣，而氣體出口用于收集排氣樣品。

圖 2 反應裝置的設定

本文使用四種不同的濫用測試（包括側加熱、穿刺、過充和烤箱加熱）來觸發TR。由于電芯正面或背面是電池組中的主要傳熱面，因此在側面加熱試驗中選擇表面積最大的電芯正面或背面作為發熱面。

圖 3 實驗裝置和測試平臺

文章指出，用于側面加熱的軟包電池殘骸品質百分比為50%，低于棱柱電池。在四種觸發方法中，排出氣體的品質也是最低的。穿刺和烤箱加熱顯示出相似的殘骸品質百分比水準，分別為56%和55%。過度充電造成的殘骸明顯減少，佔29%或227.8g。值得注意的是，與其他TR方法相比，過充産生的顆粒含量更高，在重復實驗中達到61.6%。總體而言，過充對軟包電池的電池結構構成了最嚴重的威脅。此外，與棱柱電池相比，軟包電池的殘骸品質通常較低，而顆粒品質較高，這表明軟包電池的TR行為對電池結構的破壞比棱柱電池更大。

【結論展望】

本文研究了側加熱、針刺、過充電和烤箱加熱下棱柱電池和軟包電池的TR，從電池的溫度、排氣氣體的體積和壓力、排氣氣體的組成和TR産物的品質組成四個方面比較了電池的TR性質。研究發現：

（1）對于棱柱電池，側加熱、針刺、過充和烤箱加熱達到的最高溫度分別為910.7℃、764.1℃、550.4℃和695.6℃，側加熱達到的最高溫度。軟包電池，最高溫度分別為797.4℃、687.3℃、1005.3℃和845.6℃，過充試驗達到最高溫度。反覆實驗證實，過可充式電池的最高溫度顯示出不穩定，因此比其他方法構成更大的安全威脅；

（2）電池的TR産生的氣體量取決于觸發方法。對于棱柱電池，電池過充時産生的氣體最多，然後是烤箱加熱。側加熱和針刺結果相似，分別為10.27 mol和11.08 mol。軟包電池過充電時産生的氣體最多，側加熱産生的氣體最少；

（3）氣體體積率大于3%的組分為H2、CO2、CO、CH4、C2H4和O2。在棱柱電池的四種觸發方法中，CO和H2在針刺和過充中佔30%以上。在側加熱中，H2的體積比例最大（35.26%）。另一方面，與其他觸發方法相比，CO和H2在烤箱加熱中的比例最低，而C2H4是其他觸發方法的兩倍多。在軟包電池中，CO2水準高于30%，CO水準約為24%。軟包電池比棱柱電池的CO2比例更高，所有觸發方法均超過29%。CO的比例較低，不同觸發方法的比例在23%左右。此外，在烤箱加熱條件下，H2水準為20%，低于其他觸發方法；

（4）通過比較品質百分比，發現過充是棱柱電池和軟包電池結構損害的最大因素。對于棱柱電池，其次是烤箱加熱，側加熱和穿刺；同樣，對于軟包電池來説，過充也是對電池結構最有害的因素，電池損害的品質比例為29%，接下來是穿刺，烤箱加熱，最後是側加熱。（來源：鋰電文獻概覽）

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