随着全球持续摆脱化石燃料和不可再生能源，市场对性能更好、寿命更长的锂离子电池的需求正以前所未有的速度增长。然而，电池容量的提升也伴随着更高的风险：与热失控事件相关的电池起火和爆炸新闻越来越常见便是明证。因此，测试被视为生产可靠电池的根本。我们此前已比较过包括环境试验箱和等温量热在内的不同测试方法。本篇博客将探讨绝热量热法，这是研究电池在失效情形下内部行为的有力方法。
为什么绝热量热法是电池安全测试的理想之选？
要理解绝热量热法，不妨先想一想电池在充放电过程中内部发生了什么。最简单的电池结构包括正极、负极和电解质。更先进的电池还包含其他组成部分，例如固体电解质界面膜（SEI）或热管理系统。
其中一些组成部分对温度敏感。当电池处于过充、短路或外部高温等滥用条件下时，其组分可能发生分解反应，即化学物质裂解为更小的分子。这些反应通常是放热反应，在进行过程中释放热量，在某些情况下还会释放气体，从而导致内部温度和压力升高。如果该过程在不受控制的情况下持续发展，这些反应可能会连锁升级为热失控。
这正是绝热量热法大显身手之处。绝热量热仪测量热交换，并通过调节温度确保没有热量散失到环境中，是了解电池在最坏情况下会发生什么的强大工具。在这种情况下，由于热量无法散失，热量积累导致电池温度升高。差示扫描量热法、热重分析或环境试验箱等其他方法依赖外部加热。因此，绝热量热法非常适合捕捉电池的自加热行为。这类测试提供的是关于最坏情况而非理想条件的洞察，回答了“如果电池失效，后果会有多严重？”这一问题。
当产热超过电池的散热能力，导致温度失控上升时，就会发生热失控。绝热量热仪可通过测量以下三个重要参数来表征这一过程：
- 起始温度：温升开始加速时的温度。
- 自加热速率：绝热条件下温度上升的速度
- 压力变化：分解反应会产生气体，可能导致电芯破裂或爆炸。
了解这些参数后，工程师便能知道热失控在何时、以多快的速度以及因何发生，从而预测并减轻失效情形，并利用这些洞察改进设计。
绝热电池测试：日益增长的趋势
绝热量热法可提供有关电池化学的独特洞察，例如电解质和电极在热应力下的行为，以及导致产气和压力积聚的分解反应的进程。绝热量热法获得的数据不仅能确认电池是否安全，还能提供详细的热曲线，可从多个方面用于优化电池系统：
- 电池管理系统（BMS）开发：根据起始温度和升温速率，精细调整安全切断阈值和响应时间
- 材料选择：选择稳定性更高或分解阈值更高的化学体系
- 针对 SOC 的设计：了解不同荷电状态对热失控风险的影响，并据此调整使用建议
- 安全集成：根据预期的压力和气体释放量，设计更智能的排气系统、隔热措施和灭火策略
从本质上讲，绝热量热法不仅有助于防止危险情形的发生，还能帮助工程师从系统设计上彻底消除这些危险。
电池安全是现代储能领域最关键的挑战之一。电动汽车、消费电子产品和电网级储能都存在大量需求。在中国，GB/T 36276-2023 等电池测试标准强制要求进行绝热量热测试；而在其他地区，这仅是一项推荐做法，例如美国的 SAND2017-6925。在国际上，越来越多的测试标准正将绝热数据纳入或引用于合规性评估和风险评估。
随着监管框架不断演进，这种深入的量热分析正成为市场准入和产品认证的必备条件。
绝热量热法：新一代电池的关键技术
追求性能更高、充电更快、寿命更长的电池，并不一定要以风险增加等弊端为代价。相反，随着从汽车、建筑到电网的各个领域日益依赖储能，电池安全研究也必须同步发展。
绝热量热法为研究人员和工程师提供了理解电池失效及其后果所需的关键热数据和压力数据，这些数据并非来自理论，而是来自真实发生、至关重要的危险时刻。在此背景下，绝热量热法是一种基础工具，能够帮助我们回答以下关键问题：
- 是哪些反应导致了失效？
- 这些反应升级的速度有多快？
- 我们能否及时干预？
因此，关于绝热量热法，最后剩下的问题不再是是否应该使用它，而是何时开始使用它。