锂离子电池实验室规模与工业规模热失控测试的对比研究：活性材料比例对安全评估的关键影响

推荐：为解决锂离子电池(LIB)早期研发阶段安全评估的难题，研究人员对比了实验室规模(coin cells)与工业规模(5-157 Ah)电池的热失控(TR)特性。研究发现小容量电池因活性材料比例低导致TR温和且温度峰值低，提出容量/热容比(mAh·K·J-1 )≥1 Ah是保证TR可比性的关键阈值，为电池安全设计提供了重要参考。

　　

随着锂离子电池(LIB)在电动汽车和储能系统中的广泛应用，其热失控(TR)安全问题日益凸显。工业级电池的TR测试成本高昂，而实验室常用的小型电池(mAh级)能否准确预测工业电池的TR行为一直存在争议。瑞典乌普萨拉大学?ngstr?m先进电池中心的研究团队在《Journal of Energy Storage》发表论文，首次系统比较了从8.6 mAh硬币电池到157 Ah工业电池的TR特性，揭示了活性材料比例对TR剧烈程度的核心影响。

研究采用两种创新实验装置：针对硬币电池的封闭压力舱（模拟UL9540A标准）和工业级铜块量热系统。通过快速加热（50°C/s）触发硬币电池TR，测量气体成分（H₂
/CO₂
/C₂
H₄
）和温度；对5种工业电池（含NMC811/NCA圆柱/方形电池）采用针刺法触发TR，通过77-175 kg铜块测量非喷射热。

【主要结果】

1. 硬币电池测试：

• 慢速加热（2°C/min）未检测到TR，而快速加热可引发短暂火焰（20秒）。
• 最大温度（200-300°C）和气体产量（4-8 kJ）主要由外部加热驱动，非自发热主导。
• 气体成分与工业电池相似（THC占11-24%，H₂
  15-25%），但CO未检出。

1. 工业电池测试：

• 标准化热释放（1.5-2.5 kJ/Ah）与电池尺寸（5-157 Ah）无关，但与质量损失负相关。
• 铜块可在5分钟（圆柱）至50分钟（方形）内吸收热量，热损失≤7.5%。

1. 关键发现：

• 容量/热容比：硬币电池仅5.8 mAh·K·J^-1
  ，工业电池达62-71，表明≥1 Ah容量才能保证活性材料占比接近工业水平。
• 半电池（NMC811/Li或C(gr.)/Li）与全电池TR特性无显著差异，可能与测试温度不足有关。

【结论与意义】
该研究建立了电池安全评估的新范式：

1. 提出容量/热容比作为TR可比性的关键指标，明确1 Ah是实验室电池安全测试的容量阈值。
2. 揭示工业电池TR热释放的规模不变性（5-157 Ah差异<15%），为模块设计提供依据。
3. 开发的微型压力舱（100 mL）填补了小电池气体检测的技术空白。

研究团队特别指出，当前硬币电池测试无法模拟工业电池的高温（>700°C）和完全材料分解，未来需开发1 Ah级中试电池测试平台。这项成果为电池安全标准的制定和早期材料筛选提供了重要方法论支撑，尤其对高镍NMC811等先进体系的安全设计具有指导价值。