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

前言

隨著電動汽車的大規模發展，現有鋰離子電池體系已不能滿足日益增長的續航里程需求，亟須發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，其具有zei低的電位和最高的理論比容量，被認為是電池負極材料的選擇，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電池體系中難以實現，金屬鋰和電解液界面副反應多，且負極容易產生鋰枝晶，不滿足電池循環壽命和安全性要求。將液態電池的電解液與隔膜替換成固態電解質所組成的全固態電池，被認為是解決鋰金屬負極應用的有效途徑。固態電解質穩定性高、不揮發、不泄漏，并對金屬鋰具有良好的兼容性，因此鋰金屬全固態電池有望在實現高能量密度的同時解決鋰電池本質安全問題，并且還具有成組效率高和模組結構簡單等優勢，因此中國在國家層面已明確提出了對固態電池的研發和產業化進程要求。

圖1 液態和全固態鋰離子電池結構差異

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

實驗部分

1. 樣品準備

電池樣品:  鋰金屬全固態鋰電池(20Ah)，滿電。

2. 實驗條件

實驗儀器：BAC-420A大型電池絕熱量熱儀、電池充放電設備；

實驗模式：HWS-R模式、溫差基線模式；

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（樣品熱電偶）、正負極耳。

實驗結果

1. 絕熱熱失控曲線

圖2 鋰電池熱失控溫升曲線及溫升速率-溫度曲線

鋰金屬固態電池的絕熱熱失控曲線如圖2所示，可以發現該電芯的熱穩定性與常規的液態高鎳三元電芯類似，但熱失控劇烈程度明顯更高。鋰金屬固態電池的熱失控過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。通常認為固態電解質與正負極界面的熱力學穩定性要優于液態電池內的SEI膜，因此固態電池的T_onset溫度理應較高。上述現象有待明確電池體系后進行進一步探究。

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

3. 熱失控劇烈程度顯著高于液態電池：該電芯的熱失控最高溫度T_max無法有效測定。這是由于熱失控瞬間，用于溫度采樣的N型熱電偶迅速發生熔斷?？紤]到采用的N型熱電偶的熔點為1330℃，因此該電芯的T_max明顯超過三元9系液態電池的數值（1100-1200℃）。針對該電芯的檢測需求，后續需更換熔點更高的鉑基熱電偶。同時，估算該電芯熱失控瞬間的溫升速率達到50000℃/min以上，超過目前已知的所有液態鋰電池。

圖3 樣品鋰電池熱失控過程監控視頻

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

實驗結論

本次實驗利用BAC-420A大型電池絕熱量熱儀對某型號的鋰金屬負極固態電池進行了絕熱熱失控特性評估，相關實驗數據表明該電芯的熱穩定性與液態高鎳三元電芯相當甚至略低，同時熱失控劇烈程度明顯高于已知液態電池，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..