
锂离子电池中由放热氧化还原反应引发的热失控,是其广泛应用的重大障碍。尽管现有研究通常将热失控归因于机械滥用、电气滥用或热滥用,但电化学滥用的影响仍未得到充分探索 —— 尽管它与长期使用导致退化的电池密切相关。
电化学滥用会在电池内部引发复杂现象,例如锂电镀、电解液消耗以及活性锂含量降低(通常表现为荷电状态(SoC)偏移),这使得系统理解各因素如何影响热失控变得具有挑战性。
本研究采用基于同步辐射的高温 X 射线衍射(HT-XRD)、差示扫描量热法(DSC)和同步热分析仪 - 质谱仪(STA-MS),阐明了寿命初期(BoL)和寿命末期(EoL)电池在热失控机制上的差异。此外,通过对照实验,系统研究了锂电镀、电解液消耗和 SoC 偏移对 EoL 电池的具体影响。
结果表明,锂电镀通过在负极表面提供活性锂源,降低了热失控起始温度;而 SoC 偏移通常会降低整体热能输出。电解液消耗对热失控过程中释放的总能量无显著影响,但会将放热反应延迟至更高温度。这些发现揭示了电动汽车(EV)电池在整个生命周期内热失控行为的演变规律。
热失控由电池内剧烈放热氧化还原反应引发,是锂离子电池广泛应用的关键障碍;现有研究多将热失控诱因归为机械滥用、电气滥用或热滥用,且主要聚焦于新鲜制造的寿命初期(BoL)电池,却忽视了电化学滥用的影响 —— 而据过去五年电动汽车(EV)火灾数据,实际热失控事件多发生在长期使用后电化学性能退化的电池中,凸显研究电化学滥用的必要性。
其次,电化学滥用会导致电池内部发生锂电镀、电解液消耗、荷电状态(SoC)偏移等物理化学变化,这些现象相互交织,使得系统解析各因素对热失控机制的独立影响变得困难。
此前相关研究多仅观察老化电池的热失控现象,未深入探究上述单个因素如何作用于热失控机理与产热过程,且因难以直接表征热失控过程中全电池内的反应物与产物,寿命末期(EoL)电池的热失控机制也未得到全面阐释。
为填补上述空白,本研究通过控制实验实现对电化学滥用的系统调控,并结合基于同步辐射的高温 X 射线衍射(HT-XRD)、差示扫描量热法(DSC)、同步热分析仪 - 质谱仪(STA-MS)等多维度分析技术,对比 BoL 与 EoL 电池的热失控机制。
同时,通过独立控制锂电镀、电解液消耗、SoC 偏移三个关键变量,揭示各因素对 EoL 电池热失控的具体影响,最终阐明 EV 电池全生命周期内热失控行为的演变规律,为电池安全设计与管理提供理论支撑。