组件热危害
引言
组件热危害
电池是一种能够储存能量、并通过电化学反应将所储存的化学能转化为电能的装置。电池通常由电芯组装成模组，再集成为电池包。从最基本的层面看，一个电化学电池由两个电极（负极和正极）和电解质构成。
负极（阳极）和正极（阴极）通常选用易于失去或接受电子的材料制成。电解质则是允许离子在两电极之间迁移的物质。
接入电路后，电极上发生化学反应，反应产生的电子经外电路传输，为其供电；离子则在电解质中迁移，维持电芯内部的电荷平衡。
电芯各组件所用的具体材料因电池类型而异。例如，传统汽车电池的负极通常含铅，正极为二氧化铅，电解质为硫酸。在所有电池中，锂离子电池占 95% 至 99%。锂离子电池的负极通常为石墨，正极为金属氧化物（如 LiCoO2），电解质则采用碳酸乙烯酯等有机碳酸酯。
热危害是所有储能系统都需关注的问题。电池组件的设计目的是储存大量能量，一旦管理不当，这些组件可能带来严重的热危害，甚至导致灾难性后果。
开发电池组件时最主要的关注点是热失控。热失控是一种正反馈过程：电池释放的能量进一步推动反应，若不加以控制，便会迅速失控，最终可能造成灾难性后果。
电芯组件存在哪些热危害？
电化学电池是电池的基本单元，其主要组件为负极、正极和电解质。其中，电解质和正极是最需关注的部分。电解质通常采用有机碳酸酯，容易发生分解反应，即分子断裂生成两种或多种化合物。这类反应通常为放热反应，释放的能量又会进一步促进化合物分解，形成被称为热失控的链式反应。电解质分解的产物通常为气体，其中部分气体具有可燃性。电池内部发生分解反应时，通常表现为电池自身结构完整性受损。
另一方面，正极通常由金属氧化物（如 LiCoO2）构成。在热失控等引起的高温条件下，这些金属氧化物可能发生分解，生成金属和氧气。
这正是锂离子电池的核心问题所在：可燃气体与氧气相遇，再叠加额外的热量，可能引发电池起火和爆炸。
隔膜是电芯中另一个可能受热危害影响的组件。隔膜的作用是在电池发生故障时作为正负极之间的物理屏障，防止短路。然而，目前大多数隔膜由聚合物制成，某些情况下在高温下会熔化或收缩，进而可能引发热失控。
解决方案
绝热量热仪的设计目的是阻止电池与周围环境之间的热交换。电池在其寿命周期内会经历加热、冷却等不断变化的工况，因此必须了解电芯组件在各种温度和环境下的行为，以及它们是否容易发生热失控。绝热量热仪可模拟电池运行时无法散热的最坏情况。BTC-130 是一款专为组件和电芯测试设计的台式绝热量热仪，可进行热、电和机械应力测试。借助 BTC-130，您可以评估电芯的安全性能、安全工作极限以及热失控的后果。
性能更优的电池
如何开发性能更优的电池？
量热是打造更好电池的基础工具，有助于实现更高的热稳定性、更高的能量密度、更短的充电时间和更长的运行时间。在上一节中，我们介绍了电池的各个组件如何因热危害而容易发生失效。然而，电池远不止是其基本组件或子组件的简单组合，组件之间的相互作用既可能放大热失控等问题，也可能有助于减轻其后果。
了解热行为
锂离子电池中，电解质和正极是最容易受热危害损伤的部分。我们可以利用量热技术预测可能发生热失控的温度，其特征是温度骤然升高。充放电等过程会使电芯温度升高，从而引发分解反应。电解质分解所积累的能量会进一步推高温度，达到正极的分解起始温度。正极分解产生氧气，氧气与电池内积聚的可燃气体发生反应，可能导致起火和爆炸。
此外，在开发电芯时，还可以加入隔膜等额外元件来防止热失控。隔膜通常由具有贯通孔隙结构的聚合物构成，允许离子通过。隔膜设计为在高温下闭合孔隙，从而终止化学反应。然而，隔膜也可能失效：在高温下可能收缩，使离子得以继续迁移，进而导致短路。量热技术可帮助了解分解反应可释放多少能量、引发二次失控反应所需的温度以及该过程的后果。分析结果将确定电池可安全运行的参数范围。
设计热管理系统
量热数据可为电池热管理系统的设计提供指导。散热器、冷却风扇及其他散热措施对于维持最佳工作温度、提升性能、延长寿命和防止危险情况至关重要。
固体电解质界面膜 (SEI)
SEI 对锂离子电池的安全性、性能和运行起着至关重要的作用。SEI 是电池首次充电循环期间在负极表面形成的一层薄膜，由电解质与负极相互作用生成，其成分为溶解于有机溶剂中的锂盐。
SEI 是负极与电解质之间的物理屏障，具有电子绝缘、离子导通的特性。由于它阻止了电解质与负极的进一步直接接触，可防止负极继续劣化，同时允许锂离子迁移。然而，经过长期使用和反复充放电循环，其性能会衰退，导致电芯逐渐丧失保持电荷的能力。此外，SEI 还可能使内阻增大，导致充放电效率降低、温度升高。
加速老化测试
电池性能会随时间推移而下降，原因包括 SEI 的形成与生长、电解质的逐步劣化、电极在电解质中的部分溶解以及内阻增大等。了解这些过程不仅是预测电池寿命的基础，也有助于了解使用老化电池会带来哪些后果。加速老化测试将电池置于严苛条件下，在较短时间内模拟长期使用。电池的热响应可揭示其性能和安全特性的变化情况。
电池失效测试
电极之间形成低电阻电流通路可能引发短路，导致电池快速放电、过热，甚至起火。在电芯层面，这一过程可能由多种情况引起，例如隔膜破损或锂枝晶形成。锂枝晶通常在电池充电过快或低温充电时产生：锂离子发生沉积，形成尖刺状结构并穿透隔膜生长，在正负极之间形成导电通路。破坏性测试可对电芯造成不可逆的物理损伤（如穿刺），从而模拟这些过程。
解决方案
“性能更优”既可以指在更安全的条件下表现更好的电池，也可以指能够承受更严苛条件的电池。
开发新型电池有几个关键点：更大的储能量、长期充电稳定性以及高效的放电过程。H.E.L 的 iso-BTC 是一款等温量热仪，用于在正常及扩展使用条件下表征电芯。iso-BTC 支持集成充放电单元，可对电芯进行自动化重复循环，同时记录电性能和产热。
BTC-130 和 BTC-500 是测试电池超出安全极限时行为的强大工具。两款 BTC 系统均可与充放电单元完全集成，支持包括外部短路在内的电应力测试。借助绝热量热技术，BTC-130 和 BTC-500 可帮助评估电池的热稳定性并表征热事件。此外，BTC-500 还可配备多种穿刺工具和摄像头，用于表征物理损伤事件。
质量控制
量热技术如何帮助电芯通过质量控制？
随着锂离子电池在工业、交通和日常生活中的应用日益广泛、地位日益重要，确保其安全可靠至关重要。在本文发布前的几个月里，媒体报道的锂离子电池相关事故不断增多。这凸显了严格测试和完善立法对保障用户安全的重要性。
联合国 (UN) 制定了《试验和标准手册》(UN 38.3)，为电池的安全运输设定标准。该手册规定了电池被视为可安全运输所必须满足的测试和要求。国际电工委员会 (IEC) 通过 IEC 62133 规定了消费电子产品用电池的安全标准，其中涵盖了电气、机械和环境方面的要求。同样，美国保险商实验室 (UL) 发布了 UL2054，规定了消费电子、储能和汽车等多种应用领域的安全标准。
发布电池安全指南的其他监管机构还包括国际标准化组织 (ISO)，其发布的 ISO 12405 涵盖了电动汽车电池在电气、机械和环境安全方面的要求。日本工业标准 (JIS) 的 JIS C 8714 以及中国国家标准 (GB/T) 也涵盖了电池的相同方面。在美国，UL 1642 虽不具有法律约束力，但包含了针对含锂电池的建议，重点关注其热、机械和电气特性以及耐火和抗冲击性能。
由此可见，旨在打造更安全电池的国际法规体系正在不断完善。
共同点
各类法规、指令和电池相关建议都旨在打造更安全的电池，但怎样才算“安全”？
在电气方面，电池必须能够承受过充、过放等潜在应力，而不产生起火或爆炸危险。过充是由于电压过高，导致电池在充满电后仍有电流流入；过放则是指电池放电低于安全电压下限，或以不适当的电流放电。两种情况都会导致电池过热，进而可能引发热失控。
在机械方面，电池应能承受冲击、振动或挤压测试等各种机械应力，而不发生破裂、泄漏或短路（包括内部短路和外部短路）。
电池运行中有时会出现影响电池的瞬态工况，包括高温（可能导致热失控）、低温（降低电解质的离子传输能力）、湿度或不同的大气压力。
可见，电池可能因自身运行或环境条件而出现温度异常。电池需要能够散热，以维持安全的工作温度，从而防止危险情况发生。
电池测试
电池在不同温度下运行时表现各异，可划分为三个主要温度区间：
- 最佳区：电池在最佳条件下运行时表现正常，老化过程尽可能缓慢。
- 安全区：电池可在该区间内工作，但性能可能受到影响，尤其是充放电速度和老化。较高温度可能加速电解质劣化；较低温度则可能降低电解质的电导率，并导致有机锂化合物沉积在 SEI 上。
- 危险区：该条件下很可能出现危险情况。
量热是电池测试中不可或缺的工具。
等温量热仪使电池保持恒定温度，并测量其热能变化。同时可监测电池的电输出，从而同时获得热行为和电行为信息。将仪器与充放电单元集成后，可在不同充放电倍率下对电芯进行自动化重复循环。此类测试可用于确定电池在最佳区和安全区内的性能。
另一方面，绝热量热仪使电池处于绝热条件下，即与周围环境无热交换。借助这类量热仪，我们可以在安全的环境中让电池承受极端条件，以评估其后果，这些条件包括超出安全区的更高温度、电压和放电电流。部分绝热量热仪还可配备挤压或穿刺等机械应力测试装置。绝热量热可用于研究电池在危险区内的响应。
电芯失效缓解的考量因素
解决方案
iso-BTC 是一款等温量热仪，用于电池性能测试。特定温度和充放电倍率下的电池效率和产热是电芯制造商和集成商必须测试的基本参数。此外，确定安全工作极限以规避热失控风险也至关重要。电池必须经过测试，以获得安全工作温度、最高安全电压和最大安全电流，这些数值可通过 BTC-130 和 BTC-500 获得。这些电池运行参数必须合理并符合现行法规，电池及电池供电设备才能上市销售。
缓解热失控
如何缓解热失控风险？
热失控一旦发生，可能导致储存的能量以热的形式迅速释放，进而可能引发起火或爆炸。尽管预防始终应放在首位，但在某些条件下热失控仍会发生，因此必须缓解与之相关的风险。
在前面的章节中，我们已详细讨论了如何理解这一过程，即了解会导致热失控的条件，例如化学组分（负极和电解质）、内部短路的可能性（如低温下的枝晶生长）以及外部因素（如高温或机械损伤）。
绝热量热仪有助于了解热失控的后果。绝热量热可帮助确定可能发生热失控的温度（放热起始点）以及电池可达到的温度。热蔓延测试可用于表征热失控对相邻电芯的影响，并了解连锁失效的风险。
然而，假设最坏情况可能发生，有助于设计相应方法，减轻热失控可能造成的损害。
缓解策略
热管理系统：该策略的原理是移除热量，避免热点处温度过高而引发热失控。为实现温度均匀，可采用主动式系统（如液冷或风冷）和被动式系统（相变材料、均热板）等策略。
电芯设计与隔膜：如前文所述，隔膜是电极之间的物理屏障。这类结构在高温下启动，切断离子流并使电池停止工作。隔膜采用的策略之一是使用在热失控风险下会发生物理变化、闭合孔隙的结构。
电池管理系统 (BMS)。BMS 监测并管理电池的运行，确保其保持在安全区范围内。一旦出现危险条件，BMS 可将电池与负载或电源断开。
物理屏障：在多电芯电池中，可在电芯之间设置物理屏障或阻燃材料，以阻止或减缓热蔓延。
解决方案
iso-BTC 和 iso-BTC +可在测试过程中进行热分布成像，突出显示电池中更容易产热的区域。这些信息可用于设计和实施高效的热管理策略。此外，利用 BTC-130 和 BTC-500 提供的信息有助于预测电池的热行为. 检测分解温度及由此释放的热量，有助于了解该过程引起的热失控 。BTC-500 还可用于引发物理诱导的热失控，并利用其集成摄像头记录事件的全过程.
