H.E.L 固态锂离子电池的热失控研究 —BTC-130 标准电池测试绝热量热仪

固态锂离子电池是近年来电池研究领域的热点之一，具有广阔的应用前景和研究价值。固态电解质不易燃、不挥发，即使在高温或受到机械冲击等极端条件下，也不易发生热失控或泄漏，大大提高了电池的安全性；固态电解质可以与高电压正极材料和锂金属负极更好地匹配，有望实现更高的能量密度，满足电动汽车、便携式电子设备等领域对长续航、高能量的需求；固态电解质可以制成薄膜、块体等多种形状，能够根据不同的应用场景进行灵活设计，例如用于柔性电子设备、可穿戴设备等；固态电解质与电极材料之间的界面稳定性较好，可以减少界面副反应的发生，从而延长电池的循环寿命。

与传统液态锂离子电池相比，固态锂离子电池在热安全方面具有显著优势，但仍面临一些挑战：通过研究固态电解质、电极材料以及电池整体的热稳定性研究发现，硫化物固态电解质在高温下可能会发生氧化反应，导致其热稳定性下降；固态电解质与电极材料之间的界面稳定性对电池的热安全性至关重要，界面处的副反应可能会导致局部温度升高，进而引发热失控；尽管固态锂离子电池的短路风险较低，但在某些极端情况下（如机械冲击、针刺等）仍可能发生内部短路。

固态锂离子电池在热安全性方面具有显著优势，但仍需进一步研究和优化，以满足实际应用中的高安全性要求。

案例：基于材料级热化学反应特性的固态锂电池热失控特性评估研究

Gan, L., Xu, X., Yu, X., & Li, H. (2025). Assessing the thermal runaway characteristics of solid-state lithium batteries based on thermochemical reaction properties at material level. Energy Storage Materials, 78, 104223. 

背景:锂离子电池（LIBs）在过去几十年中取得了显著的技术进步，广泛应用于便携电子设备和电动汽车等领域。然而，随着对高能量密度需求的增加，LIBs的安全性问题日益凸显，尤其是热失控（Thermal Runaway, TR）现象，可能导致电池起火、爆炸等严重事故。固态电池（Solid-State Batteries, SSBs）

作为一种新兴技术，通过使用固态电解质替代传统液态电解质，被认为有望解决LIBs的安全性问题。然而，尽管固态电解质本身具有较高的热稳定性，但关于SSBs在实际应用中的安全性，尤其是热失控特性的研究仍然有限。

研究方法：文章通过分析不同固态电池化学体系中的关键热化学反应，比较了固态电池与传统锂离子电池（LIBs）的安全性，并探讨了固态电池中固相界面对于安全性的重要性。

l热化学反应分析：文章总结和分析了与电池安全性相关的材料级别的关键热化学反应，通过评估电池热失控时的总热量释放来评估整体危险程度。

l实验技术：使用加速量热法（ARC）和差示扫描量热法（DSC）测试来获取热化学反应的特征参数。

l安全性评估框架：基于材料级别的热化学反应特性，预测由于电池化学变化引起的热失控特性变化，并讨论固态电池中固相界面对于安全的重要性。

实验结果与结论：

热失控机制：

l传统LIBs的热失控过程分为三个阶段：老化加速、热量积累和热失控。在热失控过程中，电池材料（正极、负极和电解质）之间的一系列放热反应导致温度失控上升。

lSSBs的热失控现象和机制研究相对较少，但已有研究表明，SSBs中也可能发生显著的放热反应。

固态电池的热化学反应：

l负极侧反应：研究表明，固态电解质（如氧化物或硫化物）与金属锂之间的反应在热力学上是允许的，但与LIB化学相比，这些反应的起始温度更高，放热量更少。

l正极侧反应：对于高镍含量的层状氧化物正极材料，氧化物固态电解质表现出优异的热稳定性，而还原性的硫化物和聚合物仍会与正极发生反应，但放热量显著减少。

l隔膜和气体燃烧：无机固态电解质具有高热稳定性，可以防止电池内部短路（ISC）。聚合物电解质由于其较低的玻璃化转变温度（Tg），可能增加ISC的风险。

固态电池的潜在危险度：

l通过比较不同电池化学体系的热失控能量释放，文章指出，使用惰性固态电解质（如氧化物）可以显著降低热失控能量，从而降低危险程度。

l对于可能与电极材料发生反应的固态电解质（如聚合物和硫化物），在特定条件下，热失控能量可能与LIBs相当，甚至更高，尤其是在氧气充足的情况下。

热失控特性预测：

l文章通过分析关键热化学反应，预测了SSBs的热失控特性。与LIBs相比，SSBs的T1和T2值可能会提高，T3值可能会降低，这表明SSBs的安全性有所提高。

l对于聚合物SSBs，由于其与高镍正极的反应温度较低，可能会导致T2值降低，从而增加热失控的风险。

固相界面的影响：

l文章强调了SSBs中固相界面的异质性对热化学反应的影响。不良的界面接触可能导致热化学反应加剧，从而影响电池的安全性。

l通过界面工程，如使用LiPO2F2作为烧结添加剂或构建异质界面层（HIL），可以改善固态电解质与金属锂之间的界面稳定性，从而提高电池的安全性。

绝热实验：针对电池从材料级别到电池电芯的热安全，H.E.L的BTC-130 标准电池测试绝热加速量热仪可以一体化解决：

l测试腔体:直径130mm，深200mm。

l可电池类型:18650电池、纽扣电池、软包电池、方型电池

l电池材料:阳极，阴极，固体/液体电解质

记录关键参数：

l自发热开始温度（Tonset）：材料/电池内部开始自发热的温度，这是热失控的起始点。

l自发热速率（SHR）：材料/电池自发热的速率，通常以℃/min表示。

l热失控温度（Ttr）：自发热速率超过1℃/min时的温度。

l最大潜在温度（Tmax）：热失控过程中材料/电池达到的最高温度。

l压力及压升速率：材料热失控的压力变化

Hazard Evaluation Laboratories 成立于1987年，总部设在英国伦敦，在中国、美国、德国、意大利、印度拥有分公司。全资的赫伊尔商贸（北京）有限公司于 2020年在北京设立。

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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