锂电池热失控测试全解析：从原理到方案，守护电池安全防线

2025-04-23

1. 电滥用：在电池使用过程中，电滥用是一个常见且危险的情况。过充就是电滥用的典型表现之一。当电池过充时，锂离子会在负极表面不断沉积，最终形成锂枝晶。这些锂枝晶就像一根根尖锐的针，随着它们的不断生长，很容易刺穿隔膜，从而造成电池内部短路。一旦短路发生，电池内部就会瞬间释放出大量的焦耳热，这些热量会迅速提高电池的温度，为热失控埋下隐患。而过放同样危险，在过放过程中，铜集流体可能会发生氧化，这会破坏电池的内部结构，也容易引发内部短路，进而导致热失控。

2. 热滥用：锂电池对环境温度有着较为严格的要求，当环境温度超过 60℃ ，或者电池的散热系统失效时，热滥用就可能发生。在高温环境下，电解液中的关键成分 LiPF6 在 120℃以上就会开始分解，并释放出剧毒的 PF5 气体。这不仅会污染环境，对人体健康造成危害，更糟糕的是，它会进一步加剧电池内部的温度升高。随着温度的不断上升，电池内部的各种化学反应会变得更加剧烈，最终引发热失控。

3. 机械滥用：在生活中，锂电池可能会遭遇各种意外的机械冲击，比如碰撞、挤压等，这些都属于机械滥用的范畴。当电池受到碰撞或挤压时，电池内部的结构很容易被破坏，隔膜可能会被刺穿。隔膜可是隔离正负极的关键部件，一旦隔膜破损，正负极就会直接接触，这会导致短路电流瞬间飙升，可达正常工作电流的 100 倍以上。如此巨大的电流会在极短的时间内产生大量的热量，引发热失控，整个过程可能在秒级内完成，让人防不胜防。

1. 温度与温升速率：温度是监测锂电池热失控的核心参数之一，通过高精度的热电偶或红外传感器，可以实时监测电池表面及内部的温度变化。根据 GB 38031 - 2020 标准，当电池的温升速率≥1℃/s 并且持续 3 秒时，这就如同一个响亮的警报，预示着热失控可能即将来临。想象一下，电池就像一个正在发烧的病人，正常情况下，它的温度是相对稳定的，但当这个 “病人” 开始出现异常，温度快速上升时，就需要我们高度警惕了。

2. 电压突变：除了温度，电压的变化也是热失控的重要信号。当电池内部发生短路时，电压会像坐滑梯一样骤降，而且下降幅度超过初始值的 25%。而过充时，电压则会像脱缰的野马一样突破 4.35V ，这会触发电解液的氧化反应，引发一系列连锁反应。在实际应用中，我们可以通过专业的电压监测设备，实时跟踪电池的电压变化，一旦发现电压出现异常波动，就能及时采取措施，避免热失控的发生。

3. 压力与气体成分：锂电池在热失控过程中，内部会产生大量的气体，导致气压急剧上升。比如 pouch 电池，当内部气压超过 223kPa 时，就会触发泄压机制。通过压力传感器，我们可以实时捕捉到气压的变化，为热失控预警提供重要依据。而气体分析仪则能检测出 CO、H2、HF 等热失控特征气体。这些气体就像是热失控的 “信使”，它们的出现，意味着电池内部已经发生了严重的化学反应，我们需要立刻采取行动。

1. SEI 膜分解温度（85 - 120℃）：SEI 膜就像是锂电池内部的 “保护膜”，它能够阻止负极锂金属与电解液直接接触。然而，当电池温度达到 85 - 120℃这个区间时，SEI 膜就会开始分解，失去保护作用。此时，负极锂金属就会直接与电解液发生反应，释放出 C2H4 等可燃气体。这就好比城堡的城墙被攻破，敌人长驱直入，电池内部的稳定性受到了严重威胁。

2. 隔膜熔断温度（130 - 165℃）：隔膜是隔离正负极的关键部件，当温度升高到 130 - 165℃时，PE/PP 隔膜会像蜡烛一样熔化，导致电池内部短路。一旦短路发生，电池的电压会瞬间骤降为零，同时触发剧烈的放热反应。这个过程就像是电路中的保险丝被烧断，引发了一系列的连锁反应，电池的温度会在短时间内迅速升高。

3. 正极分解温度（175 - 250℃）：当电池温度继续攀升，达到 175 - 250℃时，正极材料开始分解。以钴酸锂、三元材料为例，它们会释放出晶格氧，这些晶格氧会与电解液发生剧烈的氧化反应，释放出大量的热量，使电池温度飙升至 800℃以上。此时，电池就像一个被点燃的火药桶，随时可能发生爆炸，场面极其危险。

   
   

1. 加热触发测试：加热触发测试就像是给电池做了一场 “高温挑战”。其原理是通过平面加热装置，以 2℃/min 的速度缓慢升温，就像给电池逐渐加热。在这个过程中，我们会密切监测电池的温度、电压和压力变化。记录下 T1（放热起始温度），这个温度标志着电池内部开始发生放热反应；T2（热失控触发温度），当达到这个温度时，电池就会触发热失控；T3（最高温度），这是电池在热失控过程中所能达到的最高温度。为了更全面地了解电池在热失控过程中的变化，我们会使用绝热量热仪（如 BAC - 420A）搭配气体质谱仪。绝热量热仪能够精确测量电池在热失控过程中释放的热量，而气体质谱仪则可以实时分析产气成分。例如，EC 分解会产生 CO2，DMC 分解会产生 CH4，通过对这些产气成分的分析，我们可以更好地了解电池内部的化学反应过程。

2. 针刺 / 挤压测试：针刺 / 挤压测试主要是模拟电池在受到机械滥用时的情况。在针刺测试中，用 1mm 钢针穿刺电池，就像用针去扎电池一样，以此来模拟电池内部隔膜破损的情况。在这个过程中，我们会监测短路电流、温度骤升以及火焰喷射风险。关键指标是针刺后 10 分钟内电池是否发生起火爆炸，以及电压是否在 30 秒内降至 0V。如果电池在针刺后 10 分钟内没有起火爆炸，且电压没有在 30 秒内降至 0V，那么说明电池在这种机械滥用情况下具有较好的安全性。挤压测试则是通过对电池施加压力，模拟电池在受到挤压时的情况，同样观察电池的反应，评估其安全性。

3. 过充 / 过放测试：过充 / 过放测试是为了检测电池在电滥用情况下的安全性。以 1.5C 以上的电流对电池进行过充，直到电压达到 4.5V，或者将电池过放至 2.0V 以下。在这个过程中，我们可以观察到锂枝晶的生长以及 SEI 膜的破坏过程。为了更深入地了解电池内部的变化，我们会采用原位 X 射线衍射技术。这种技术就像给电池做了一个 “透视”，能够实时追踪电极材料晶体结构的变化。通过观察电极材料晶体结构的变化，我们可以了解电池在过充 / 过放过程中的性能变化，为电池的安全性评估提供重要依据。

1. 基础监测设备：在热失控测试中，基础监测设备是我们获取数据的重要工具。温度传感器就像是我们的 “温度侦察兵”，它的精度可达 ±0.5℃ ，能够准确地布置于电池表面及电芯间隙，捕捉电池内部的温度梯度。通过温度传感器，我们可以实时了解电池各个部位的温度变化，及时发现温度异常升高的情况。电压采集模块则是监测电池电压的 “小卫士”，它的分辨率为 0.1mV ，能够实时监测单电芯电压波动。通过对电压波动的监测，我们可以识别早期短路迹象，在电池出现问题的早期就发现并采取措施。

2. 进阶分析设备：进阶分析设备则能够帮助我们更深入地了解电池的内部状态。压力传感器的量程为 0 - 1MPa，它可以监测电池内部气压，判断安全阀开启压力是否达标。例如，对于圆柱电池来说，安全阀开启压力一般为 855kPa ，通过压力传感器，我们可以监测电池内部气压是否达到这个标准，确保安全阀能够在需要时正常开启，释放电池内部压力，避免热失控的发生。电化学阻抗谱仪（EIS）则通过 10mHz - 10kHz 扫频，分析 SEI 膜阻抗变化。SEI 膜的阻抗变化能够反映出膜层的破损风险，通过 EIS 的分析，我们可以提前预警膜层破损风险，为电池的安全使用提供保障。

   
   

1. 电解液阻燃测试：电解液在锂电池中起着至关重要的作用，它就像是电池的 “血液”，负责在正负极之间传导离子。然而，传统的电解液往往具有易燃性，这给锂电池的安全带来了隐患。为了解决这个问题，研究人员开始在电解液中添加阻燃剂，氟代碳酸乙烯酯（FEC）就是一种常用的阻燃添加剂。当在电解液中添加 2% 以上的 FEC 时，它能够对电池的性能产生积极的影响。通过差示扫描量热法（DSC）测试可以发现，FEC 能够提升 SEI 膜的稳定性，使热失控触发温度从 200℃提升至 230℃ 。这意味着电池在更高的温度下才会触发热失控，大大提高了电池的安全性。

2. 隔膜改性验证：隔膜是锂电池内部的关键部件，它的主要作用是隔离正负极，防止短路。然而，普通的隔膜在高温下容易收缩甚至熔化，这会增加电池短路的风险。为了提高隔膜的耐高温性能，研究人员对隔膜进行了改性处理，陶瓷涂层隔膜就是其中的一种。这种隔膜通过在表面涂覆一层陶瓷材料，使其熔点提升至 200℃以上。通过热重分析（TGA）测试可以验证，在高温下，陶瓷涂层隔膜的收缩率要求＜5% ，这大大降低了短路风险，提高了电池的安全性。