本文利用BAC-420A大型電池絕熱量熱儀對鋰金屬負極固態(tài)電池進(jìn)行絕熱熱失控實(shí)驗，評估該電芯的熱穩定性和熱失控危害。

前言

隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)的大規模發(fā)展，現有鋰離子電池體系已不能滿(mǎn)足日益增長(cháng)的續航里程需求，亟須發(fā)展更高能量密度的電池體系。在眾多的電池材料體系中，層狀過(guò)渡金屬氧化物-石墨負極體系的理論能量密度極限約為300Wh/kg。將純石墨負極替代為硅基合金，則能量密度理論上限可提升至約400Wh/kg。而金屬鋰負極具有最低的電位和最高的理論比容量，被認為是電池負極材料的終極選擇，鋰金屬電池能量密度的理論上限可達500Wh/kg以上。

然而鋰金屬負極在傳統液態(tài)電池體系中難以實(shí)現，金屬鋰和電解液界面副反應多，且負極容易產(chǎn)生鋰枝晶，不滿(mǎn)足電池循環(huán)壽命和安全性要求。將液態(tài)電池的電解液與隔膜替換成固態(tài)電解質(zhì)所組成的全固態(tài)電池，被認為是解決鋰金屬負極應用的有效途徑。固態(tài)電解質(zhì)穩定性高、不揮發(fā)、不泄漏，并對金屬鋰具有良好的兼容性，因此鋰金屬全固態(tài)電池有望在實(shí)現高能量密度的同時(shí)解決鋰電池本質(zhì)安全問(wèn)題，并且還具有成組效率高和模組結構簡(jiǎn)單等優(yōu)勢，因此中國在國家層面已明確提出了對固態(tài)電池的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程要求。

圖1 液態(tài)和全固態(tài)鋰離子電池結構差異

雖然目前固態(tài)電池仍然處于商業(yè)化早期階段，但國內許多廠(chǎng)商的產(chǎn)品已接近量產(chǎn)狀態(tài)。本文利用BAC-420A大型電池絕熱量熱儀對某廠(chǎng)商提供的鋰金屬固態(tài)電池樣品進(jìn)行絕熱熱失控實(shí)驗，以評估固態(tài)電池的安全性。

實(shí)驗部分

1. 樣品準備

電池樣品: 鋰金屬全固態(tài)鋰電池(20Ah)，滿(mǎn)電。

2. 實(shí)驗條件

實(shí)驗儀器：BAC-420A大型電池絕熱量熱儀、電池充放電設備；

實(shí)驗模式：HWS-R模式、溫差基線(xiàn)模式；

記錄頻率：1~100Hz；

自放熱檢測閾值：0.02℃/min；

熱電偶固定位置：電池大面中心點(diǎn)（樣品熱電偶）、正負極耳。

實(shí)驗結果

1. 絕熱熱失控曲線(xiàn)

圖2 鋰電池熱失控溫升曲線(xiàn)及溫升速率-溫度曲線(xiàn)

鋰金屬固態(tài)電池的絕熱熱失控曲線(xiàn)如圖2所示，可以發(fā)現該電芯的熱穩定性與常規的液態(tài)高鎳三元電芯類(lèi)似，但熱失控劇烈程度明顯更高。鋰金屬固態(tài)電池的熱失控過(guò)程表現出如下的特征：

1. 自放熱起始溫度T_onset低：T_onset溫度為74.42℃，與常規三元電芯相當甚至略低。通常認為固態(tài)電解質(zhì)與正負極界面的熱力學(xué)穩定性要優(yōu)于液態(tài)電池內的SEI膜，因此固態(tài)電池的T_onset溫度理應較高。上述現象有待明確電池體系后進(jìn)行進(jìn)一步探究。

2. 熱失控起始溫度接近鋰金屬熔點(diǎn)：熱失控起始溫度T_TR約為180℃，該溫度下鋰金屬負極熔化，電解質(zhì)與熔融鋰金屬發(fā)生界面反應，產(chǎn)生的氧氣會(huì )誘發(fā)鋰金屬發(fā)生劇烈氧化反應，導致熱失控發(fā)生^[^1]。根據圖2b，到達T_TR之前電芯升溫速率出現明顯下降，與負極熔化過(guò)程相對應。

3. 熱失控劇烈程度顯著(zhù)高于液態(tài)電池：該電芯的熱失控最高溫度T_max無(wú)法有效測定。這是由于熱失控瞬間，用于溫度采樣的N型熱電偶迅速發(fā)生熔斷?？紤]到采用的N型熱電偶的熔點(diǎn)為1330℃，因此該電芯的T_max明顯超過(guò)三元9系液態(tài)電池的數值（1100-1200℃）。針對該電芯的檢測需求，后續需更換熔點(diǎn)更高的鉑基熱電偶。同時(shí)，估算該電芯熱失控瞬間的溫升速率達到50000℃/min以上，超過(guò)目前已知的所有液態(tài)鋰電池。

圖3 樣品鋰電池熱失控過(guò)程監控視頻

另外，從熱失控瞬間的監控畫(huà)面可以看到，該固態(tài)電池的熱失控爆燃持續時(shí)間短，爆炸沖擊威力大。隨著(zhù)能量密度的提高，電芯熱失控能量釋放速率也顯著(zhù)增大。

實(shí)驗結論

本次實(shí)驗利用BAC-420A大型電池絕熱量熱儀對某型號的鋰金屬負極固態(tài)電池進(jìn)行了絕熱熱失控特性評估，相關(guān)實(shí)驗數據表明該電芯的熱穩定性與液態(tài)高鎳三元電芯相當甚至略低，同時(shí)熱失控劇烈程度明顯高于已知液態(tài)電池，因此針對該電芯應制定更為嚴苛的熱管理策略。

引用文獻

[1] Vishnugopi B S , Hasan M T , Zhou H , et al. Interphases and Electrode Crosstalk Dictate the Thermal Stability of Solid-State Batteries[J]. 2022..