前言
当前，主流磷酸铁锂电池能量密度在200Wh/kg以下，三元锂电池能量密度在200~300Wh/kg之间，且现有锂电池能量密度已经接近理论极限，限制了锂离子电池的多场景应用。为进一步满足新能源电池汽车、无人机、潜航器等装备续航里程增加的需求，扩展锂电池使用环境，需要开发新型电池体系提高电池的能量密度。
与传统锂离子电池一般使用石墨作为负极不同，锂金属电池使用金属锂作为负极。由于锂金属理论比容量达3860mAh/g，远高于石墨理论比容量372mAh/g，因此锂金属电池较石墨负极锂离子电池具有更高的能量密度。同时，锂金属可以与硫、聚合物、氧化物等多种正极材料配对，而不局限于传统磷酸铁锂或三元材料等插层型正极，这种灵活性为极端环境下的材料选择提供了更多可能性。电解质方面，锂金属电池使用液态电解质会存在严重的锂枝晶问题，但是当锂金属匹配固态电解质时，电解质本身能抑制锂枝晶生长，因而安全性较液态电解质得到提高，且固态电解质较液态电解质可进一步提高电池体系比能量。因此，固态锂金属电池的研发，是当下电池研究的一个热点方向。基于固态锂金属电池的热安全特性研究，对于揭示锂金属与固态电解质间的界面反应活性规律、认识和抑制锂金属电池热失控危害、提高锂金属电池高温循环寿命，均具有重要意义。
仰仪科技BAC-800B大型电池绝热量热仪凭借其符合国标GB150的密封仓体外壳、变频采集速率(最高可达100Hz)以及B型热电偶测温(测温范围900~1800℃)三重优势，可以很好应用于锂金属固态电池热失控研究。
图1 BAC-800B大型电池绝热量热仪
实验方案
本次实验利用杭州仰仪科技BAC-800B大型电池绝热量热仪进行10Ah软包固态锂金属电池热滥用测试。实验前在电池不同点位布置N型及B型热电偶进行测温，利用夹具固定电池保证热电偶始终与电池保持紧密连接。实验过程中通过可编程电源使用加热丝对电池加热，电池温度升高后发生热失控。多通道数据记录仪记录电池的温度、电压数据。在仪器腔体外部利用高速摄像机对电池保持实时监控，实现多维度监控及分析。
测试结果
图2 软包固态锂金属电池热失控(a)温度&电压-时间曲线、温升速率-温度曲线和(b)附加热电偶温度-时间曲线
对图2的温度数据进行分析发现，该电池的热失控最高温度845.43℃，热失控最大温升速率74628℃/min。而规格相近的同类型液态锂离子电池采用同样热滥用方式热失控最高温度>1000℃，热失控最大温升速率>150000℃/min。可见，固态锂金属电池较液态锂离子电池安全性能确实得到提升。
图3 电池热失控后炉膛内残骸
由于铝箔熔点一般为660℃左右，因此，电池热失控过程中该软包电池铝箔被熔化，甚至底部保温棉也被熔穿。实验后，炉膛内已无明显电池残骸。尽管较同类型液态锂离子电池安全性能有所提升，但该固态锂金属电池发生热失控的危害程度仍然不容忽视。上述实验数据将为研究人员进一步提升现阶段固态锂金属电池的安全防护边界提供重要参考。
总结
本次实验利用仰仪科技BAC-800B大型电池绝热量热仪进行固态锂金属电池热失控测试，为研究人员探究固态锂金属电池界面锂沉积行为机理、界面组分和热安全管理提供了有力数据支撑，同时，也再次验证了仰仪科技大型电池绝热量热仪在新型储锂材料和电解质体系开发等锂电池前沿研究领域，推进固态锂金属电池实际应用方面的可靠性和必要性。
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