锂电池热安全与热管理测试解决方案分析报告

1、锂电池热安全与热管理测试解决方案请输入标题（思源字体）2用心感知 精确传递Contents背景介绍锂电池单体热失控测试锂电池热管理参数测试公司介绍背景介绍锂离子电池是实现化石能源代替、“碳中和”、“碳达峰” 的重要保障；我国目前拥有全球最为完善的锂电池产业链，已成为动力 电池生产和消费的第一大国；第四次工业革命对电动化和智能化的加速推进使锂离子电 池拥有前所未有的广阔市场。新能源汽车3用心感知 精确传递航空航天3C电子储能电站锂电池失效锂电池安全性和性能衰减问题是行业的关注重点（图片来自于网络）大量废旧电池造成环境污染与资源浪费4用心感知 精确传递背景介绍2. 锂电池热管理参数测试 整体解决方

2、案1.锂电池单体热失控测试 整体解决方案探究电池单体安全边界与失效危害提供准确的基础性参数，优化热管理设计解决方案组成与定位5用心感知 精确传递背景介绍请输入标题（思源字体）6用心感知 精确传递Contents背景介绍锂电池单体热失控测试锂电池热管理参数测试公司介绍锂电池单体热失控测试材料热安全性测试热滥用HWS、等速扫描电滥用过充、过放、内外短路机械滥用针刺、挤压单体热稳定性测试热失控产气测试7用心感知 精确传递产气过程产气量、产气速率产气成分在线测试、离线测试气体爆炸性LFL、Pmax、燃烧速率电池材料热稳定性Tonset、dT/dt、Qr电解液安全性闪点、蒸气压、 最小点火能电池材料极片

3、电池单体小型模组参考UL9540A 、 UL1973、SAE J2464、GB/T 36276等测试标准单体热失控测试平台氮氩气 气过滤器集气罐机械滥用电滥用热滥用真空泵压力监测温度监测氧浓度监测 摄像头/热像仪测试罐热失控诱发与监测气体收集与分析FTIR在线检测GC离线检测爆炸压力测试爆炸极限测试电池材料热稳定 性电解液闪点电解液蒸气压单体热失控综合测试平台气氛模拟材料安全性评估锂电池单体热失控测试8用心感知 精确传递锂电池单体热失控测试单体热稳定性测试热滥用测试BAC-420A大型电池绝热量热仪BAC-90A小型电池绝热量热仪H-W-S阶段绝热追踪阶段TonsetTvTTRTmaxTons

4、et热失控温升曲线TTR热失控dT/dt-T曲线Tv tQ=m*Cp*(TTR-Tonset)自放热起始温度Tonset0.02 oC/min泄压温度Tv热失控起始温度TTR1 oC/s、1 oC/min热失控孕育时间t热失控孕育能量Q热失控孕育热量释放速率q=dQ/dt孕育时间特征温度释放能量锂电池热稳定性特征参数9用心感知 精确传递HWS模式锂电池单体热失控测试单体热稳定性测试电池类型：方形硬壳 正极材料：磷酸铁锂 电池容量：305 Ah 实验模式：HWS模式注：TTR判断条件：dT dt = 60 minTonset/ 105.9TV/ 136.3TTR / 235.3Tmax / 49

5、3.2Tad / 387.3( dT dt )max/( min)318.6热滥用测试HWS模式热失控温升曲线温升速率-温度曲线10用心感知 精确传递锂电池单体热失控测试单体热稳定性测试热滥用测试HWS模式温升速率-温度曲线热失控温升曲线电池热失控前质量/g热失控后质量/g质量损失率/%190Ah2578.03515.7280.0160Ah2499.141161.2553.5电池类型：方形硬壳 正极材料：NCM811 电池容量：190Ah实验模式：HWS模式190Ah11用心感知 精确传递160Ah锂电池单体热失控测试单体热稳定性测试热滥用测试HWS模式160Ah NCM811190Ah NC

6、M81112用心感知 精确传递TvTTRTmaxTTRTv热失控温升曲线13用心感知 精确传递热失控dT/dt-T曲线等速扫描模式显著提高测试效率；HWS模式更灵敏，可以更好地反映电池热失控的整个过程，更适合机理研究。dT/t = 5oC/min锂电池单体热失控测试单体热稳定性测试热滥用测试扫描模式电滥用测试NCM电池过充热失控温升曲线NCM电池连续充放电热失控温升曲线锂电池单体热失控测试单体热稳定性测试14用心感知 精确传递机械滥用测试305Ah LPF方形电池针刺热失控温升曲线Tv锂电池单体热失控测试单体热稳定性测试15用心感知 精确传递产气压力/产气量/产气速率锂电池单体热失控测试热失控

7、电池产气测试电池密封测试罐 = 161压升速率-温度曲线产气速率-温度曲线Tonset /140.4Tmax /493.2( dT dt )max/ ( min)318.6Pmax/MPa2.12( d dt )max/ ( min)2.54( d dt )max/ SLPM335.3电池类型：方形硬壳正极材料：磷酸铁锂 电池容量：160Ah实验模式：HWS模式16用心感知 精确传递大尺寸耐压型电池绝热量热仪锂电池单体热失控测试单体热稳定性测试17用心感知 精确传递腔体体积适应刀片电池等大型电池单体的几何尺寸耐压能力耐受大容量高镍电池的产气压力与爆炸冲击检测能力检测灵敏度、追踪速率等核心指标满

8、足需求气体爆炸性样气浓度20%30%40%35%32.5%测试结果未点燃未点燃点燃并爆炸点燃并爆炸点燃并爆炸 =100V1 + V2 + V3 + + V123%Lechteillier公式：32.5%35%30%40%H W P 2 1 - 3 0 S 爆炸极限测试仪可采用直接收集电池热失控产气或人工配气两种方式进行实验。人工配气更合 理，但成本较高；温度、压力对LFL影响相对有限，常温常压测试结果可作为高温高压LFL的参考。常压爆炸极限18用心感知 精确传递混合气体理论LFL计算参照ASTM E681、GB/T 12474等标准锂电池单体热失控测试热失控电池产气测试气体爆炸性极限氧浓度参照

9、GB/T 38301、GB/T 12474等标准极限空气浓度LAC = Xair，L = 35.89%极限氧浓度LOC = LAC 0.209 = 7.50%简易流程：19用心感知 精确传递锂电池单体热失控测试热失控电池产气测试气体爆炸性 高温高压爆炸下限LFL (p,T)、最大爆炸压力Pmax (p,T)UL9540A-2019标准要求LFL (p,T)Pmax (p,T)气体样品人工配制人工配制测试温度常温/泄压温度常温初始压力常压常压电池产气爆炸曲线（50oC, 常压, 样气浓度20%）常温下爆炸增压一般为初始压力5-8倍，高温下可能超过10倍；Pmax一般在化学计量比附近，可以参考此浓

10、度点进行配气。参照UL9540A (ASTM E918/EN 15967 )蒸汽发生装置F C L - 1 0 0 A 高温高压爆炸极限测试仪锂电池单体热失控测试热失控电池产气测试20用心感知 精确传递锂电池单体热失控测试热失控电池产气测试气体爆炸性 多组分电池喷发物质燃爆特性研究电解液蒸气/电池产气爆炸压力测试2.电池热失控喷发物原位爆炸测试3. 电解液蒸气/电池产气/粉尘燃爆特性测试21用心感知 精确传递气体爆炸性气体燃烧速率Su参照UL9540A（ISO 817）F P V - 1 2 0 0 A 型气体燃烧速率测试仪13.5%17.0%31.0%35.0%其中：火焰底部横截面积火焰冠表

11、面积火焰传播速率 燃烧速率锂电池单体热失控测试热失控电池产气测试22用心感知 精确传递锂电池单体热失控测试材料热安全性测试电池材料热稳定性In EC/DEC solventElectrochem. Commun., 6 (2004) 3943;J. Electrochem. Soc., 152 (3) A566-A569 (2005)不同正极材料不同电解质TAC-500A绝热加速量热仪克级测试温度&压力数据DSC毫克级测试仅温度数据23用心感知 精确传递电解液安全性品闪点31.1oCFP CC-420A微量连续闭口闪点仪VP TE-1000A微量蒸气压测定仪样品名测定值/kPa参考值/kPa差

12、值/kPaD11.401.460.06D25.445.60.16D33.493.590.1025 oC下不同电解液蒸气压测试结果D2电解液蒸气压随温度变化电解液闪点测试曲线10款电解液闪点值电解液样品闪点/蒸气压十余种电解液的闪点值在5-40oC之间，室温、微小能量激发下易发生闪 燃；电解液蒸气压对热失控特定阶段下单体电池压力升高具有一定贡献。锂电池单体热失控测试材料热安全性测试24用心感知 精确传递闪点仪与最小点火能测试仪联用样品点火能5.9mJ3.5mJ1.6mJ0.69mJ0.28mJS1YN-S2YYN-S3YYYYN注：表中符号“-”表示未进行测试,“N”表示电解液未被成功引燃，“Y

13、”表示电解液成功被引燃最小点火能电解液安全性锂电池单体热失控测试材料热安全性测试25用心感知 精确传递请输入标题（思源字体）26用心感知 精确传递Contents背景介绍锂电池单体热失控测试锂电池热管理参数测试公司介绍锂电池热管理参数测试热 管 理 参 数 测 试比热容导热系数电池单体比热容软包、硬壳单体导热系数测定热仿真所需关键参数，研究模组、Pack热失控扩散机制换热系数电芯、导热板、冷板换热系数绝热量热 等温量热27用心感知 精确传递测试内容充放电产热热物性参数充放电产热功率补偿等温量热原理0attery() = () ()1电池比放热量 attery = attery()总放热量Q =

14、 反应热Qr+焦耳热Qj+极化热Qp+副反应热Qs可逆部分不可逆部分绝热追踪量热原理绝热温升: = 0电池比放热量 attery = 28用心感知 精确传递0锂电池热管理参数测试应用案例等温量热B I C - 4 0 0 A 等温量热仪钴酸锂软包电池（500 mAh）充放电产热测试LFP方形电池（35Ah）充放电产热测试BIC-400A 电池等温量热仪放电倍率 1 C大尺寸电池采用功率补偿法， 保证温度恒定； 小尺寸电池采用热流法， 提高信噪比充电倍率 1 C截止电压 3 . 6 5 V充电倍率 1 C截止电压 4 . 2 V放电倍率 1 C热流量热模式基 线 噪 声 0 . 1 m W29用

15、心感知 精确传递充放电产热绝热量热B A C - 4 2 0 A充电时间-温度/电压/电流曲线61Ah三元电池0.2C充电放热功率曲线B A C - 4 2 0 B 低温型量热仪锂电池热管理参数测试30用心感知 精确传递方形电池每2平均比热容圆形电池每2平均比热容方形电池比热容稳定在0.94-0.98 J/(g*K)之间；圆柱形电池的比热容稳定在0.97-1.01 J/(g*K)之间；两者比热容均呈现随着温度升高逐渐增大的趋势。比热容测试基于差示绝热追踪的锂电池比热容测试方形电池打包方式圆形样品打包方式锂电池热管理参数测试31用心感知 精确传递导热系数测试TCA 3DP-1003D热物性分析仪

16、软包锂电池导热系数测试红外热像仪测温与三维数据反演技术稳态法和Hot Disk法测试32用心感知 精确传递锂电池热管理参数测试2. 建立数值模型输入热参数（Kx、Kz等）1. 样品几何形状确认3. 热参数反演计算基于非线性最小二乘法，寻找一组导热系 数K(Kx、Kz)，使测试值和计算值的均方根 误差RMSE(K)最小。导热系数测试软包锂电池导热系数测试误差函数33用心感知 精确传递预测误差锂电池热管理参数测试导热系数测试软包锂电池导热系数测试TCA 3DP、Hot Disk与稳态法Kz测试结果对比TCA 3DP与Hot Disk法Kx/Kz测试结果对比a. 接触热阻：软包电池表面并不完全平整，

17、且铝塑膜具有一定的形变 能力，Hot Disk探头与电池表面的贴合状态和接触热阻受操作手法与 检测位置影响。b. 局部效应：Hot Disk探头集成了加热和测温的功能，加热和测温 都在电池的同一侧，测得的数据可能只反映样品局部的热物性特征。锂电池热管理参数测试34用心感知 精确传递导热系数测试不同温度导热系数测试面向、径向导热系数随温度变化实验结果曲线图温度()组别(Wm-1K-1)z(Wm-1K-1)5124.431.17221.051.23321.691.18422.121.2210122.041.27223.621.24324.331.22422.711.2720124.031.2722

18、3.551.26324.751.27423.101.2730124.881.30222.991.30325.121.39424.391.26锂电池热管理参数测试35用心感知 精确传递电池编号长度（mm）宽度（mm）厚度（mm）密度（kg/m3）比热容（J/(kg)）GX-1231497.511.3425071075GX-C731598.011.4324691053GX-JJJ31711212.0825901087锂电池热管理参数测试导热系数测试不同电池导热系数测试编号样品incr比热kinkcr1GX-128.52E-064.43E-07107522.981.192GX-128.35E-064

19、.55E-07107522.511.233GX-C78.00E-064.50E-07105320.801.174GX-C78.40E-064.58E-07105321.831.195GX-JJJ7.40E-063.51E-07108720.830.996GX-JJJ7.62E-063.59E-07108721.461.0136用心感知 精确传递导热系数测试硬壳锂电池导热系数测试测试对象：硬壳电池非均质：内部卷芯，外部铝壳测试方式：非接触式测试，不破坏样品测试参数：卷芯导热系数、层间接触热阻、等效导热系数测试难点常规方法无法直接测试；拆解取卷芯测试制样麻烦样品和产品特性一致性缺乏接触热阻信息锂电池热管理参数测试37用心感知 精确传递导热系数测试硬壳锂电池导热系数测试TCA 2S-1002S电池热物性分析仪芯体导热系数：面向导 热系数kin、纵向导热系 数kcr；接触面热阻：芯体和壳 体（大面）换热系数hxy、 芯体与壳体（冷却面） 换热系数hyz储热释放动态反演技术-