液态及半固态电解质电池热失控催化反应模型对比测试研究

一、测试背景与目的

在全球推进"双碳"目标背景下，新能源汽车产业快速发展，锂离子电池能量密度不断提升，但热失控风险也随之加剧。目前行业对高比能量电池热失控特性研究不足，尤其缺乏液态与半固态电解质电池热失控催化反应的系统性对比。为此，合肥格朗检测科技有限公司应用BAC-420A大型电池绝热量热仪，针对不同镍含量的NCM液态电池和锂金属半固态电池开展研究，揭示热失控机理，为电池热安全设计提供数据支撑。

二、实验仪器与样品

1. 实验仪器

采用BAC-420A大型电池绝热量热仪，专为大型电池单体及小型模组设计，绝热腔体有效尺寸420×520mm，可满足长边≤600mm电池测试。仪器绝热性能卓越，壁样温差≤0.5℃，自放热检测灵敏度达0.005℃/min，远超行业阈值0.02℃/min，能精准测定自放热起始温度(T_onset)、热失控起始温度(T_TR)、热失控最高温度(T_max)及最大温升速率(dT/dt)_max等关键参数，符合GB/T36276-2023标准要求。

2. 实验样品

实验样品包括不同镍含量的NCM三元液态电解质电池和NCM622半固态锂金属电池，具体参数如下表：

三、试验步骤

1. 仪器校准

1. 采用温差基线模式，将与电池样品同尺寸的标准铝块固定于BAC-420A量热仪腔体内，用耐高温胶带将热电偶贴合于铝块侧面中心点；

2. 将辅助加热丝通过炉壁电极柱连接到恒流源，关闭炉盖并拧紧全部螺栓；

3. 在操作软件选择"温差基线"模式，设置启动区间温度40℃、恒温时间900min、台阶升温步长10℃，直至实验结束温度130℃；

4. 切换至"HWS模式"测量铝块自发热速率，当各台阶升温速率≤+0.003℃/min时，确认仪器绝热性能满足测试要求。

2. 绝热热失控测试

1. 将电池样品置于量热仪炉腔内，用耐高温胶带将热电偶固定于模组大面中心点；

2. 在操作软件选择"绝热温升"模式，设置参数如下：启动区间温度40℃、恒温时间300min、台阶目标恒温时间60min、搜寻时间20min、升温步长5℃，实验结束温度130℃；

3. 实验分为台阶升温阶段和绝热追踪阶段：先执行加热-等待-搜寻的台阶升温模式，当样品升温速率>0.02℃/min时，进入绝热跟踪阶段，炉体温度追踪样品直至热失控；

4. 同步记录电压、电流、温度、时间等状态信息，通过电学、热学、光学数据协同处理分析热失控机理。

四、实验结果与模型建立

1. 热失控特征参数

测试发现，NCM液态电池的T_onset在80-90℃范围，随镍含量增加，热失控孕育时间缩短，单位Ah能量释放速率和质量损失率增加，表明能量密度越高热失控越剧烈。方形电池T_TR从NCM532的186.49℃降至NCM90505的156.92℃，而软包电池T_TR保持在190℃左右，且达到T_TR后存在诱导期。

锂金属半固态电池T_onset<75℃，T_max>1420℃，热失控持续时间最短，质量损失率接近100%，热稳定性显著低于液态电池，潜在热危害更大。部分关键参数如下表：

2. 两步自催化反应模型

基于测试数据，首次建立两步自催化反应模型分析热失控表观动力学。结果显示，模型有效模拟了孕育阶段热动力学过程，发现反应活化能随能量密度增加而降低的规律。以NCM90505为例，第一步反应活化能E₁=33.29kJ/mol，第二步E₂=12.92kJ/mol，表明高镍电池热失控反应更易触发{insert\_element\_10\_}。

半固态电池模型参数显示E₁=19.16kJ/mol、E₂=7.42kJ/mol，活化能显著低于液态电池，进一步验证其热失控反应的剧烈性。

五、结论与应用

合肥格朗检测通过BAC-420A测试发现：NCM液态电池热失控剧烈程度随镍含量增加而增强，锂金属半固态电池热稳定性更低，T_max超过1420℃，质量损失率接近100%。建立的两步自催化反应模型为电池热失控机理研究提供新方法，相关成果已发表于《Journal of Energy Storage》。

该研究为动力电池热管理系统设计、安全预警阈值设定及电池材料选型提供关键数据，尤其对半固态电池产业化过程中的热安全控制具有指导意义。合肥格朗检测可提供从电池单体到模组的热失控全流程检测服务，助力新能源汽车产业安全发展。