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電池單體-初始熱失控性能試驗(yàn)檢測(cè)

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發(fā)布時(shí)間：2025-07-24 18:51:31 更新時(shí)間：2025-07-23 18:51:32

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作者：中科光析科學(xué)技術(shù)研究所檢測(cè)中心

電池單體-初始熱失控性能試驗(yàn)檢測(cè)

電池?zé)崾Э厥卿囯x子電池安全領(lǐng)域最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)之一，它指電池內(nèi)部因溫度急劇升高引發(fā)的不可控連鎖反應(yīng)，常伴隨冒煙、起火甚至爆炸等劇烈能量釋放現(xiàn)象。初始熱失控性能試驗(yàn)是評(píng)估電池單體安全性的核心測(cè)試項(xiàng)目，其目的是在受控的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，模擬并觸發(fā)電池單體的熱失控過(guò)程，以研究其熱穩(wěn)定性、熱失控觸發(fā)條件（如溫度閾值、能量釋放速率）、安全閥開啟行為、噴射物特性以及是否引發(fā)起火爆炸等關(guān)鍵安全參數(shù)。該測(cè)試對(duì)于理解電池?zé)崾C(jī)理、評(píng)估電池固有安全風(fēng)險(xiǎn)、指導(dǎo)電池系統(tǒng)（如電池包、模組）的熱蔓延防護(hù)設(shè)計(jì)以及制定相應(yīng)的安全標(biāo)準(zhǔn)具有極其重要的意義。

檢測(cè)項(xiàng)目

初始熱失控性能試驗(yàn)的核心檢測(cè)項(xiàng)目主要包括：

1. 熱失控觸發(fā)條件： 測(cè)量并記錄觸發(fā)電池單體發(fā)生熱失控所需的外部熱刺激強(qiáng)度（如加熱溫度、加熱功率）或內(nèi)部條件（如針刺深度、擠壓變形量）。

2. 熱失控特征溫度點(diǎn)： 精確監(jiān)測(cè)并記錄熱失控過(guò)程中的關(guān)鍵溫度節(jié)點(diǎn)，如自產(chǎn)熱起始溫度（T1）、熱失控觸發(fā)溫度（T2）、最高表面溫度（Tmax）、安全閥開啟溫度（Vent T）等。

3. 溫度變化速率： 記錄從觸發(fā)點(diǎn)到熱失控最高點(diǎn)的升溫速率（dT/dt），這是衡量熱失控劇烈程度的重要指標(biāo)。

4. 電壓與電流變化： 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池在熱失控過(guò)程中的電壓驟降、電流異常波動(dòng)情況。

5. 安全閥行為： 觀察并記錄安全閥是否開啟、開啟壓力、開啟時(shí)間點(diǎn)以及開啟后的泄壓效果。

6. 噴射物特性： 分析熱失控過(guò)程中噴射出的氣體、電解液、固體顆粒等物質(zhì)的成分、溫度、速度、方向及質(zhì)量。

7. 起火與爆炸行為： 記錄是否發(fā)生明火、火焰高度、持續(xù)時(shí)間，以及是否發(fā)生爆炸及其強(qiáng)度。

8. 熱失控傳播傾向（初步評(píng)估）： 觀察熱失控后電池單體的物理狀態(tài)（如殼體破裂程度、內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞情況），初步評(píng)估其引燃或加熱相鄰電池的可能性。

檢測(cè)儀器

進(jìn)行電池單體初始熱失控性能試驗(yàn)需要一系列精密的儀器設(shè)備：

1. 熱失控觸發(fā)裝置： * 加熱法： 高精度溫度控制的大功率加熱板（通常為鎳鉻合金或陶瓷材質(zhì)），貼附于電池表面或插入電池內(nèi)部。 * 針刺法： 高速、高精度的針刺裝置（如伺服電機(jī)或氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)），配備不同直徑（如3mm, 5mm, 8mm）和材質(zhì)的鋼針。 * 擠壓法： 可編程控制的擠壓試驗(yàn)機(jī)，設(shè)定不同的擠壓速度、位移和力。 * 過(guò)充法： 大功率、高精度電池測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大倍率恒流充電直至熱失控。

2. 溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)： 多通道高速數(shù)據(jù)采集儀，配合布置在電池關(guān)鍵部位（如表面中心、正負(fù)極柱、安全閥附近、電池內(nèi)部）的K型或T型熱電偶（需耐高溫）或紅外熱像儀。

3. 電壓電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)： 高精度、寬量程的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)時(shí)記錄電池電壓和回路電流變化。

4. 高速攝像機(jī)： 高幀率（≥1000 fps）高速攝像機(jī)，配備防爆外殼或置于觀察窗外，用于捕捉熱失控瞬間的噴射、火焰、安全閥開啟、殼體破裂等高速動(dòng)態(tài)過(guò)程。

5. 壓力傳感器： 安裝在安全閥附近或密閉測(cè)試腔室內(nèi)，測(cè)量泄壓壓力或內(nèi)部壓力變化。

6. 氣體分析儀： （可選）用于收集和分析熱失控釋放的氣體成分（如CO, CO2, H2, CH4, HF等）。

7. 防爆/防護(hù)測(cè)試艙： 具備良好密封性、耐高溫高壓、防火防爆、高效排煙/過(guò)濾系統(tǒng)的專用測(cè)試艙，確保試驗(yàn)人員安全和環(huán)境清潔。

8. 電子天平： （可選）用于測(cè)量熱失控前后電池的質(zhì)量變化，估算噴射物質(zhì)量。

9. 數(shù)據(jù)同步與記錄系統(tǒng)： 將溫度、電壓、電流、壓力、視頻、觸發(fā)信號(hào)等數(shù)據(jù)進(jìn)行精確時(shí)間同步和集中記錄。

檢測(cè)方法

典型的電池單體初始熱失控性能試驗(yàn)方法（以加熱觸發(fā)法為例）步驟通常包括：

1. 樣品準(zhǔn)備： 電池單體按標(biāo)準(zhǔn)要求完成化成、老化、容量測(cè)試等預(yù)處理，并在規(guī)定環(huán)境（如25±5°C）下達(dá)到滿電態(tài)（通常為100% SOC）。

2. 儀器安裝： 將電池單體牢固固定于測(cè)試艙內(nèi)。將加熱板緊密貼附在電池規(guī)定的表面（常為最大面中心）。在電池表面和加熱板上關(guān)鍵位置布置熱電偶（監(jiān)測(cè)T1, T2, Tmax, 加熱板溫度等）。連接電壓電流采集線。在安全閥附近布置高速攝像機(jī)和/或壓力傳感器（若需要）。

3. 環(huán)境設(shè)置： 關(guān)閉并密封測(cè)試艙。根據(jù)需要設(shè)定艙內(nèi)氣氛（常為空氣）。啟動(dòng)排風(fēng)/過(guò)濾系統(tǒng)。

4. 觸發(fā)熱失控： 啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集和高速攝像。以設(shè)定的恒定功率或恒定升溫速率（如5°C/min或更高）對(duì)加熱板供電，持續(xù)加熱電池單體。

5. 過(guò)程監(jiān)測(cè)： 實(shí)時(shí)監(jiān)控所有傳感器數(shù)據(jù)（溫度、電壓、電流、壓力）和高速攝像畫面。觀察安全閥是否開啟、噴射物產(chǎn)生、是否起火爆炸等現(xiàn)象，并記錄發(fā)生時(shí)間點(diǎn)。

6. 終止條件： 當(dāng)電池單體表面溫度達(dá)到預(yù)設(shè)的終止溫度（如300-400°C），或溫度開始顯著下降（表明主要反應(yīng)結(jié)束），或發(fā)生劇烈爆炸破壞測(cè)試裝置時(shí)，停止加熱。

7. 后處理與記錄： 待測(cè)試艙充分冷卻并排風(fēng)后，取出電池殘骸，拍照記錄破壞情況。整理分析所有采集的數(shù)據(jù)（溫度曲線、電壓曲線、關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)、視頻圖像分析等），形成測(cè)試報(bào)告。對(duì)于針刺、擠壓、過(guò)充等其他觸發(fā)方法，核心步驟類似，主要是將加熱步驟替換為相應(yīng)的觸發(fā)動(dòng)作（如針刺穿透、擠壓變形、持續(xù)過(guò)充）。

檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

電池單體初始熱失控性能試驗(yàn)已有多個(gè)國(guó)家和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范，以下是一些主要標(biāo)準(zhǔn)：

1. 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) (GB): * GB 38031-2020 《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》： 強(qiáng)制要求對(duì)電池單體進(jìn)行熱失控觸發(fā)試驗(yàn)（5.2.2條款），規(guī)定了加熱觸發(fā)的具體方法（加熱至130°C±2°C，然后以≥5°C/min速率加熱至單體熱失控或溫度達(dá)到300°C）及通過(guò)判據(jù)（不起火、不爆炸）。這是國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車電池準(zhǔn)入的核心安全標(biāo)準(zhǔn)。 * GB/T 36276-2018 《電力儲(chǔ)能用鋰離子電池》： 針對(duì)儲(chǔ)能電池，也包含了熱失控測(cè)試要求（附錄B），同樣主要采用加熱觸發(fā)法。

2. 國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn) (IEC): * IEC 62660-3:2022 《電動(dòng)道路車輛用鋰離子動(dòng)力電池第3部分：安全要求》： 對(duì)電池單體熱失控試驗(yàn)提出了要求（條款7.1），允許使用加熱、針刺、擠壓等多種觸發(fā)方式，并規(guī)定了測(cè)試條件和通過(guò)判據(jù)（無(wú)爆炸、無(wú)起火）。 * IEC 62619:2022 《含堿性或其它非酸性電解質(zhì)的二次電池和電池組工業(yè)用鋰蓄電池和電池組的安全要求》： 適用于工業(yè)儲(chǔ)能、叉車等場(chǎng)景，也包含熱失控測(cè)試要求（條款8.3.9），主要采用加熱觸發(fā)法。

3. 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn) (ISO): * ISO 6469-1:2019 《電動(dòng)道路車輛安全要求第1部分：可再充電儲(chǔ)能系統(tǒng) (RESS)》： 規(guī)定了REESS（包含電池單體、模組、包）的安全要求，其基礎(chǔ)之一是電池單體的