研究背景
可充電電池是現(xiàn)代技術(shù)中的重要組成部分，廣泛應用于消費電子產(chǎn)品、工業(yè)能源存儲系統(tǒng)等領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的電池材料相比，鋰離子電池（Li-ion）因其高能量密度和較長的使用壽命，在這些應用中具有顯著優(yōu)勢。然而，隨著對更高能量密度和更大電池尺寸的需求增加，電池安全性，特別是熱失控問題，成為了亟待解決的重大挑戰(zhàn)。熱失控是指電池內(nèi)部由于連續(xù)放熱反應導致的溫度迅速且不可控的上升，可能引發(fā)火災或爆炸，嚴重威脅電池的安全性。因此，如何有效評估和控制電池的熱失控現(xiàn)象，確保電池的安全性，已成為電池研究領(lǐng)域的重要課題。
有鑒于此，來自日本國立材料科學研究所的Takuya Masuda教授和東京大學/成均館大學的Atsuo Yamada教授等研究人員在“Nature Energy”期刊上發(fā)表了題為“Rapid safety screening realized by accelerating rate calorimetry with lab-scale small batteries”的最新論文。該團隊設(shè)計了一種小型圓柱形軟包型電池（~21 mAh，約0.1 g的陰極活性材料），該電池特別易于產(chǎn)生熱量，因此能夠在實驗室規(guī)模上進行全電池級加速率熱量計（ARC）測試。通過這一設(shè)計，研究人員實現(xiàn)了快速且高效的電池安全篩選，尤其是在材料、電池設(shè)計和操作條件的早期階段。
利用這一方法，研究人員成功地評估了電池在熱失控過程中產(chǎn)生的熱量變化，為進一步開發(fā)高安全性電池提供了寶貴的數(shù)據(jù)支持。此外，該團隊還結(jié)合了氣體分析技術(shù)，監(jiān)測了電池在熱失控過程中的氣體產(chǎn)生和壓力變化，進一步提高了熱失控評估的全面性和準確性。
研究亮點
（1）實驗首次設(shè)計了小型圓柱形軟包型電池（~21 mAh，約0.1 g的陰極活性材料），該電池易于產(chǎn)生熱量，能夠在實驗室規(guī)模上進行全電池級加速率熱量計（ARC）測試。通過這一創(chuàng)新設(shè)計，實驗克服了傳統(tǒng)全電池級ARC測試對大尺寸電池的需求，為熱失控的研究提供了更為便捷和高效的途徑。
（2）實驗通過全電池級ARC測試，揭示了電池在熱失控過程中的熱量生成和關(guān)鍵反應。測試結(jié)果表明，電池的放熱反應包括固體電解質(zhì)界面（SEI）的分解、電解質(zhì)與鋰化陽極的直接反應以及氧氣釋放等多個順序反應，這些反應共同導致了熱失控的發(fā)生。該研究能夠在較小規(guī)模的電池上獲得類似于大規(guī)模電池的安全評估數(shù)據(jù)，從而為電池材料、設(shè)計和操作條件的安全篩選提供了更加高效的方式。
（3）實驗通過優(yōu)化小型電池設(shè)計，實現(xiàn)了快速的安全篩選，并為電池設(shè)計提供了早期反饋。這一方法為電池研發(fā)提供了更為高效的工具，有助于加速高安全性電池的開發(fā)，尤其是在節(jié)省時間和成本的同時，能夠更早地識別潛在的安全風險。
圖文解讀
圖1. 用于全電池級安全評估的典型ARC模塊示意圖及典型熱失控案例。
圖2. 不同類型電池的TRF計算和ACR測試。
圖3. 不同圓柱形尺寸的電極和電池的制造。
圖4. 熱失控前的自熱速率和熱失控開始溫度與不同描述符的相關(guān)性。
圖5. 不同寬高比電池的TRFs和ARC結(jié)果。
結(jié)論展望
本研究引入了一種簡單的熱失控風險（TRF）指標，用于量化電池的熱積累與熱散失之間的平衡。模型實驗驗證了，設(shè)計針對較高TRF的電池有助于實現(xiàn)電池熱平衡的精確控制，從而降低加速率熱量計（ARC）測試中熱失控的檢測閾值。針對高TRF設(shè)計的圓柱形軟包型電池，即使使用實驗室規(guī)模的微型電池（~21 mAh，約0.1g的陰極活性材料），也能在全電池級ARC測試中觀察到熱失控。這一成果預計將加速各種材料、電極/電池設(shè)計和操作條件下的電池安全篩選。未來，驗證這一方法在不同電池化學體系中的適用性有望促進具有更好熱管理和可靠性的高效產(chǎn)品開發(fā)。
原文詳情：
Ko, S., Otsuka, H., Kimura, S. et al. Rapid safety screening realized by accelerating rate calorimetry with lab-scale small batteries. Nat Energy (2025).
https://doi.org/10.1038/s41560-025-01751-7
