应用案例 | 18650锂电池热失控总放热量研究

摘要

本文采用外部加热的滥用方式触发18650三元锂电池热失控，通过经定制化改造的ATC 300A自动氧弹量热仪测定其热失控总放热量，研究发现电池热失控后的质量损失与总放热量呈正相关。

图1 定制型ATC 300A自动氧弹量热仪

前言

电池热失控总放热量是量化热失控破坏力的核心指标，对电池热管理设计和热安全管理具有重要指导意义。常用的绝热式热分析仪器高度依赖比热容的精确测定，且电池热失控瞬间放热速率较快，温度追踪不及时会造成量热误差，无法获取完整的电池放热量数据。

自动氧弹量热仪是一种基于等温量热原理测量物质燃烧热的仪器。仪器将密闭氧弹浸没于充满水的内筒中，通过燃烧氧弹内一定量的可燃物来开展测试。燃烧释放出的热量通过氧弹传递至内筒的水，根据水温变化即可计算出可燃物的放热量。

本研究基于定制型ATC 300A自动氧弹量热仪，在惰性气氛下通过加热片触发18650三元锂电池热失控，测量其总放热量。结果表明：空电状态下为45896.9 J，满电状态下为67620.7 J。

实验方法

1. 实验条件

测试仪器：定制型ATC 300A自动氧弹量热仪

测试方法：GB/T 213-2008

实验样品：18650三元锂电池

热失控触发方式：加热片触发（20V/5A）

2. 测试过程

打开定制型ATC 300A自动氧弹量热仪；

Step1：准备空电/满电的18650三元锂电池，称重并记录其电压值；

Step2：将加热片与电池紧密贴合，连接加热片并组装至氧弹内，如图2所示；

图2 电池安装至氧弹内

Step3：将装好的氧弹悬挂至仪器上，设置实验参数，填写样品信息；

Step4：开始实验，仪器自动进行测试；

Step5：实验结束，取下氧弹并进行清理；

Step6：重复测试，记录实验数据。

实验结果

实验装置如图3所示。仪器内部通过加热片触发18650三元锂电池热失控，测试获得的燃烧热扣除加热片输入热量即为电池总放热量。

图3 定制型ATC 300A自动氧弹量热仪

如表1所示，空电状态下电池三次重复测试的总放热量均值为45896.9J，相对标准偏差（RSD）为3.25%；满电状态下电池总放热量为67620.7J。

表1 18650锂电池总放热量测试结果

在上述测试中，三次空电状态下电池热失控测试后的状态与质量不同，可能是电池总放热量存在偏差的主要原因。测试后电池状态如图4所示：空电状态下b电池燃烧后较为完整，a与c电池燃烧后状态较为接近，均发生内容物喷出；满电状态下d电池燃烧较为剧烈，基本仅存外壳。

图4 a/b/c空电与d满电18650锂电池热失控后状态

从测试结果看，空电状态下b电池总放热量最小，a与c结果相差不大，满电状态下d电池总放热量最大。电池热失控燃烧前后的质量损失与总放热量呈正相关，失重比越大，总放热量越大。

结论

本文利用加热片触发电池热失控的方式，通过定制型ATC 300A自动氧弹量热仪测定18650三元锂电池在空电/满电状态下的热失控总放热量，为锂电池热管理设计及消防安全评估提供关键基础参数。