FAQs

部件的热危害

简介

电池是一种能够储存能量并通过电化学反应将储存的化学能转化为能量的装置。电池通常是由电池组成的模块和集成成包。在最基本的层面上，电化学电池由两个电极(阳极和阴极)和电解质组成。

阳极(负极)和阴极(正极)通常由选择放弃或接受电子的能力的材料制成。电解质是一种允许离子在电极之间流动的物质。

一旦连接到电路上，电极就会发生化学反应，在这些反应中产生的电子通过外部电路传输，为电路供电。离子会穿过电解质，维持电池内的电荷平衡。

用于电池组件的具体材料将根据电池的类型而变化。例如，传统上用于汽车的电池通常在阳极含有铅，在阴极含有二氧化铅，以及作为电解质的硫酸。95%到99%的电池都是锂离子电池。在这种情况下，阳极通常由石墨制成，阴极是金属氧化物(如LiCoO2)，有机碳酸盐(如碳酸乙烯)用作电解质。

热危害是每个储能系统关注的一个问题。电池的组件被设计用来储存大量的能量，如果管理不当，这些组件可能会造成严重的热危险，从而导致灾难性的结果。

在开发电池组件时，关注的主要来源是热失控。这个过程包括一个正反馈循环，在这个循环中，电池释放的能量进一步推动了反应，因此，如果不加以检查和控制，就会失控。热失控的结果可能导致灾难性的后果。

电池组件的热危害是什么？

电化学电池的主要组成部分——电池的基本组成部分——是阳极、阴极和电解质。在电池中，主要关注的来源是电解质和阴极。有机碳酸盐通常用作电解质，并且容易发生分解反应。这些反应涉及分子分解，产生两种或多种化合物。这些反应通常是放热的，在这个过程中释放出能量，这进一步推动了化合物的分解，产生了一种称为热失控的连锁反应。在电解质分解的情况下，反应的结果通常是气体，其中一些可能是易燃的。电池中的分解反应通常通过电池本身的结构完整性的折衷来证明。

另一方面，阴极通常由金属氧化物组成，例如LiCoO2。当暴露在高温下时，比如热失控引起的高温，这些金属氧化物会发生分解。这种分解的结果将是金属加上氧气。

这就是锂离子电池的主要问题所在。可燃气体和氧气的结合以及提供的额外热量可能导致火灾和电池爆炸。

隔板是电池的另一个部件，可能容易受到热危害。分离器设计用于在电池发生故障时充当阳极和阴极之间的物理屏障，防止短路事件。然而，如今大多数隔膜都是由聚合物制成的，在某些情况下，聚合物会在高温下熔化或收缩。如果发生这种情况，可能会发生热失控。

解决方案

绝热热量计的设计是为了防止电池与其周围环境之间的热交换。电池在使用寿命期间会经历各种条件的变化，包括加热和冷却。了解电池组件在各种温度和环境下的行为，以及它们是否容易受到热逃逸的影响，是至关重要的。绝热量热计模拟了电池在运行时无法散热的最坏情况。BTC-130是一种台式绝热量热计，专门用于组件和电池测试，包括热应力、电应力和机械应力。使用BTC-130，您可以评估电池的安全性能、安全操作极限以及热失控的后果。

性能优越的电池

我们怎样才能开发出性能优越的电池?
量热法是帮助制造更好的电池的基本工具，包括热稳定的电池、更高的能量密度、更短的充电时间和更长的工作时间。在上一节中，我们描述了电池的不同组件是如何容易因热危害而失效的。然而，电池不仅仅是其基本组件或子组件，它们之间的相互作用会放大诸如热失控之类的问题，但也有助于减轻其后果。

了解热行为

锂离子电池的电解液和阴极是最容易因热危害而损坏的部件。我们可以用量热法来预测可能发生热失控的温度，这可以通过温度的突然升高来证明。充电/放电等过程会提高电池温度，从而引发分解反应。电解液分解产生的能量积累会使温度升高，从而引发阴极的分解温度。这种分解的结果是氧气，它与电池中积聚的可燃气体反应，可能导致火灾和爆炸。

此外，在开发电池时，可以放置额外的元件来防止热失控，例如分离器。隔膜通常由聚合物组成，结构上有孔，允许离子转移。分离器的设计目的是在高温下关闭这些孔隙，阻止化学反应。然而，分离器也可能失效，并且在高温下可能收缩，从而允许离子运动，导致短路。量热法可以帮助了解分解反应可以释放多少能量，需要多少温度才能启动二次失控反应，以及这样一个过程的后果。分析的结果将决定电池可以工作的安全值。

设计热管理系统

量热数据可以指导电池热管理系统的设计。散热器、冷却风扇和其他散热策略等元件是保持最佳工作温度、提高性能、延长寿命和防止危险情况发生的基础。

固体电解质界面(SEI)

SEI在锂离子电池的安全性、性能和运行中起着至关重要的作用。SEI是在电池初始充电循环期间在阳极表面形成的薄层。它是电解质和阳极相互作用的结果，由溶解在有机溶剂中的锂盐组成。

SEI作为阳极和电解质之间的物理屏障，绝缘但离子导电。由于它阻止了电解质和阳极之间进一步的物理接触，它阻止了阳极的进一步降解，从而允许锂的移动。然而，经过长时间和连续的充放电循环，它的容量可能会减弱，导致电池失去保持电荷的能力。此外，它会增加内阻，导致充放电效率降低和温度升高。

加速老化试验

随着时间的推移，电池的性能会随着一系列过程而下降，例如SEI的形成和生长、电解质的逐渐降解、电极在电解质中的部分溶解以及内阻的增加。了解这些过程是预测电池寿命的基础，也是操作旧电池的后果。当使用加速老化测试时，电池暴露在恶劣的条件下，模拟在较短的时间内长期使用。电池的热响应可以深入了解其性能和安全属性是如何变化的。

电池故障测试

电极之间电流形成的低电阻路径会导致短路，导致电池快速放电、过热和潜在的火灾。在电池层面，这一过程可能发生在许多情况下，比如隔膜破裂或锂枝晶的形成。当电池充电过快或温度过低时，就会出现这种情况。锂离子可以沉积，形成可以通过分离生长的尖状结构，在阳极和阴极之间形成导电路径。破坏性测试允许对细胞进行不可逆的物理损伤，例如穿孔，模拟这些过程。

解决方案

优越属性可以指在更安全的条件下性能更好的电池，也可以指在更恶劣的条件下电池的承受能力。

在开发新电池时，有一些关键点:更大的能量存储，长期充电稳定性和高效的放电过程。H.E.L的iso-BTC是一种等温量热计，旨在表征正常和延长使用条件下的电池。iso-BTC支持充电/放电单元的集成，允许电池单元的自动重复循环，同时记录电性能和热量演变。

BTC-130和BTC-500是测试电池在其安全限制之外的行为的强大工具。这两个BTC系统完全集成了充放电单元，以支持电气压力测试，包括外部短路。使用绝热量热法，BTC-130和BTC-500可以帮助评估电池的热稳定性并表征热事件。此外，BTC-500可以配备一系列穿刺工具和摄像头，以表征物理损伤事件。

质量控制

量热法如何帮助细胞通过质量控制?

随着锂离子电池在工业、运输和日常活动中的应用越来越普及和重要，这些电池的安全性和可靠性变得非常重要。在这篇文章发表之前的几个月里，媒体报道了越来越多的锂离子电池事故。这突出了强有力的测试和强有力的立法以确保用户安全的重要性。

联合国(UN)制定了《测试和标准手册》(UN 38.3)，为电池的安全运输制定了标准。本手册概述了电池必须满足的测试和要求，以便被认为可以安全运输。国际电工委员会(IEC)通过IEC 62133也确立了消费电子产品电池的安全标准。在这些标准中，它概述了电气、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，建立了各种应用的安全标准，包括消费电子、储能和汽车。

其他发布电池安全指南的监管机构包括国际标准化组织(ISO)，该组织发布了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)到JIS C 8714和中国国家标准(GB/T)也涵盖了电池的相同方面。在美国，UL 1642虽然没有法律约束力，但包含了含锂电池的建议，并侧重于其热、机械、电气特性以及防火和防震性。

因此，我们可以看到越来越多的国内立法旨在生产更安全的电池。

共性

立法、指令和电池建议旨在生产更安全的电池，但什么是安全的?

在电气方面，电池必须承受潜在的压力，包括过充和过放电，而不会有火灾或爆炸的危险。过度充电是由于电压过高，导致电流在完全充电后流入电池。另一方面，过放电是指电池放电超过较低的安全电压或以不合适的电流放电。这两种过程的结果都是电池过热，这可能导致产生热失控。

从机械上讲，电池应该能够承受各种机械应力，如冲击、振动或挤压试验，而不会破裂、泄漏或短路(内部和外部)。

电池的运行有时包括可能影响电池的瞬态条件。这些因素包括高温(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。

正如我们所看到的，由于电池自身的功能或环境条件，电池可能会导致温度异常。电池需要能够散热以保持安全的工作温度，从而防止危险情况的发生。

电池测试

电池在不同的温度下工作时表现不同，可以定义三个主要的热区域:

最佳区域:电池在最佳条件下工作将表现正常，老化过程将尽可能慢。
安全区域:电池在此区域可以正常工作，但性能会受到影响，特别是充放电速度和老化。较高的温度会导致电解液加速降解。较低的温度会导致电解质的导电性降低，以及锂有机化合物在SEI上的沉积。
危险区域:可能导致危险场景的条件。
量热法是测试电池的宝贵工具。

等温量热计将电池保持在一个恒定的温度，并测量其热能的变化。可以监控电池的电输出，从而提供热和电行为信息。将仪器与充放电单元集成在一起，可以在各种充放电速率下自动重复循环电池单元。这种类型的测试可以确定电池在最佳区域和安全区域内的性能。

另一方面，绝热量热计在绝热条件下维持电池，在绝热条件下，电池与周围环境没有热交换。该量热计允许我们将电池置于安全环境中的极端条件下，以评估其后果。这些条件包括安全区外的高温、电压和放电电流。一些绝热量热计可以配备测试机械应力的手段，如破碎或穿孔。绝热量热法使电池在危险区域内的反应得以探索。

解决方案

iso-BTC被设计为等温量热计，允许电池性能测试。电池的效率和热量在特定温度下的变化，以及充放电率是电池制造商和集成商必须测试的基本参数。此外，确定安全操作极限以避免热失控的风险是至关重要的。必须对电池进行测试，以获得安全工作温度、最大安全电压和最大安全电流。这些值可以通过BTC-130和BTC-500获得。为了使电池和电池供电设备商业化，这些电池的操作参数需要适当并符合现行法规。