H.E.L 锂离子电池低温老化研究 —BTC-130 标准电池测试绝热加速量热仪

锂离子电池广泛应用于电动汽车、航空航天、储能系统等领域，这些应用场景中，电池常面临低温环境的挑战。例如，电动汽车在寒冷地区冬季运行时，电池性能会显著下降。

锂离子低温老化研究是指在低温环境下，对锂离子电池进行长期循环充放电或搁置等操作，以研究其性能衰减、内部结构变化及老化机制的过程。通过研究低温环境下锂离子电池的老化行为，明确其性能衰减的内在原因，如锂离子沉积、界面阻抗变化、电解液特性劣化等。为开发高性能、长寿命的锂离子电池提供理论依据，指导电池材料的选择、电解液的改性、电池结构的设计等，以改善电池在低温环境下的性能。

低温老化涉及多种物理化学过程，如锂离子沉积、界面反应、电解液分解等，这些过程相互耦合，难以准确分离和量化。随着材料科学、电化学技术、测试仪器等领域的不断发展，有望开发出更耐低温的电池材料、更高效的电解液体系以及更先进的测试技术，推动锂离子低温老化研究的深入。研究成果将有助于锂离子电池在电动汽车、航空航天、极地科考等低温领域的广泛应用，提升其在极端环境下的性能和可靠性。

案例：低温循环下锂离子电池老化演变及安全性特征研究

Wang, R., & Xue, B. (2025). Research on aging evolution and safety characteristics of lithium-ion batteries cycling at low temperature. Batteries, 11(11), 396.

背景: 锂离子电池（LIBs）作为电动汽车（EVs）和能源存储系统（ESSs）的主要能源供应方式，广泛应用于各种交通工具和储能场景。然而，锂离子电池在复杂的工作条件下（如低温）会面临性能下降和安全性问题。低温环境（如冬季）会显著影响锂离子的活性，导致电池容量衰减加速、内阻增加，甚至可能引发热失控等安全问题。因此，研究锂离子电池在低温条件下的老化特性及其安全性变化规律对于优化电池管理系统（BMS）和延长电池寿命具有重要意义。

研究方法：研究使用了商业化的18650型锂离子电池（Sony US18650VTC6），通过以下实验方法来分析电池在低温条件下的老化和安全性：

电池循环测试系统：包括高精度电池测试仪、低温箱、数据采集单元和PC控制软件。

电池安全性测试系统：使用加速绝热量热仪研究电池的热特性和安全性。

实验设置：包括电池加速老化测试、不同充放电倍率测试、不同温度下的电池老化测试、不同DOD/DOC下的电池测试以及热失控测试。

实验结果：

l低温对电池老化特性的影响

ü容量和内阻变化：低温（-20℃）条件下，电池容量和内阻表现出极端变化。电池容量在低温下加速下降，内阻显著增加，尤其是极化电阻增加了约30%。

ü充放电倍率的影响：高倍率充电会加剧电池容量衰减，但适度的充电倍率（如1C-1.5C）可以减缓衰减。高倍率放电也会导致容量快速下降。

üDOD/DOC的影响：较大的充电截止电压（DOC）和放电截止电压（DOD）会加速容量衰减，且充电截止电压对容量衰减的影响更大。

l低温对电池安全性的影响

ü热失控测试：通过热失控实验，发现即使在低温下老化后的电池仍具有引发热失控的潜力。不同老化周期的电池在热失控过程中表现出不同的温度和电压特性，但老化电池在热失控时仍能达到较高的最高温度（T3）和自加热速率。

ü内阻增长：低温下，电池的内阻增长显著，尤其是极化电阻。内阻增长与温度和充放电倍率密切相关，且在低温下，较大的DOD和DOC会进一步增加内阻。

结论：

l低温加速电池老化：低温条件下，电池容量衰减加速，内阻显著增加，尤其是极化电阻。

l充放电倍率优化：低温下，适度的充放电倍率可以减缓电池容量衰减，但高倍率充电和放电会加剧衰减。

lDOD/DOC的影响：较大的充电和放电截止电压会加速电池容量衰减和内阻增长。

l安全性风险：即使在低温下，老化后的电池仍具有引发热失控的潜力，这表明低温并不能完全抑制电池的安全性风险。

l未来研究方向：建议进一步研究不同类型的LIBs在低温下的性能变化，并结合电化学反应机制和材料分析（如SEM和XPS）来深入理解低温对电池老化的影响。

热失控实验：使用了HEL BTC-130加速绝热量热仪来研究锂离子电池的热特性和安全性。

l实验设备：使用HEL BTC-130加速量热仪，其最大跟踪温度为500℃，温度控制精度为0.1%。

l实验样品：采用商业化18650型锂离子电池（Sony US18650VTC6），电池参数见表1。

l实验条件：

ü初始温度：40℃。

ü温度增量：每次增加5℃。

ü最高搜索温度：350℃。

ü校准时间和搜索时间：校准时间30分钟，搜索时间5分钟。

l实验过程：

ü电池样品从初始温度（40℃）开始校准，然后进入搜索阶段，寻找放热反应。

ü当自加热速率≥0.02℃/min时，电池达到自加热起始温度T1。

ü当放热速率≥1℃/s时，电池达到热失控起始温度T2。

ü跟踪最高温度T3（热失控期间的最高温度）。

l实验目的：通过BTC-130实验，研究不同老化程度下锂离子电池的热失控特性，包括自加热速率、起始温度和最高温度等指标。

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H.E.L产品及服务包含:过程安全评估系列、电池安全性及性能测试系列、平行结晶筛选及中试生产与在线监测系列、全自动化学反应及合成系列、高压/常压生物反应器及流动化学催化条件筛选系列。

在化学反应安全评估与新能源电池安全测试领域，H.E.L凭借其卓越的技术实力与市场领先地位，已成为全球客户的首选合作伙伴。我们的BTC系列产品以卓越的性能和可靠性，赢得了市场的广泛认可，市场占有率稳居行业第一。无论是新能源电池行业（动力电池、储能电池）还是化学工艺安全评估领域，H.E.L都以其专业的技术与服务，为客户提供精准、高效的解决方案。

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