锂电热失控产气测试：ARC绝热量热实验案例解析
摘要
本文以磷酸铁锂与三元电芯的绝热热失控产气实验为例，介绍基于绝热加速量热仪（ARC）的产气量、产气速率与气体成分联合测试方法。实验数据表明，不同材料体系与健康状态的电芯在气体组成、压力上升速率上差异明显，结合爆炸极限计算可对产气危险性作量化评级。文中给出实验流程、参数设置要点与结果解读逻辑，供电池安全设计与储能消防评估参考。
一、背景：热失控产气为何必须量化
锂电池热失控是引发起火、爆炸等安全事故的关键因素。在热失控过程中，电池内部发生复杂的化学反应，不仅释放出大量热量，还会产生一氧化碳（CO）、氢气（H2）、甲烷（CH4）等可燃气体。这些气体若在密闭环境中不断积聚，极易引发二次燃烧或爆炸，进一步加剧事故的危害程度。
因此，精确量化电池热失控过程中的产气量、产气速率以及气体成分，成为评估电池安全性的重要指标。在 UL 9540A 等标准的推动下，电池热失控产气测试已成为相关行业的焦点。通过深入研究产气行为与温度、压力等参数之间的内在关联，能够为电池安全设计提供坚实的理论支撑。
二、测试平台与实验方法
2.1 仪器关键性能指标
实验采用大型电池绝热量热仪，可在绝热条件下同步完成热失控温度追踪与产气收集。热安全团队（thermsafe.cn）在同类实验中总结的关键性能需求如下表所示（数值为行业典型值，仅作能力对照参考，不代表任何具体型号参数）：
| 项目 | 典型指标 | 对实验的意义 |
|---|---|---|
| 绝热腔有效尺寸 | 典型尺寸，可容纳大尺寸方壳与软包电芯 | 决定可测单体的体积上限 |
| 自放热检测灵敏度 | 优于典型阈值 | 决定能否捕捉反应初期的微弱热信号 |
| 温度追踪速率 | 典型区间/min | 保证炉体温度跟随样品，维持近似绝热环境 |
| 密封测试罐耐压 | 典型压力区间 | 决定产气收集的安全边界与可收集气量 |
| 充放电过流能力 | 典型电流区间，可扩展 | 支持电滥用触发与充放电产热测试 |
| 测温通道 | 标配 10 路，可扩展 | 实现电池表面与内部多点温度监控 |
2.2 实验流程
实验遵循“惰化—安装—触发—收集—分析”的五步逻辑，具体如下：
- 惰性置换与保压验证：实验前使用惰性气体对腔体反复置换，确保内部处于惰性气氛环境；随后开展保压实验，确认腔体密封性满足要求。
- 样品预处理：对电芯称重，记录容量、内阻等基础数据，并按目标荷电状态（SOC）完成充放电标定。
- 传感器布置：主热电偶固定于电池大面形心位置，配合支架夹具与耐高温胶带防止脱落；内置热电偶与电压线引出并连接数据采集器。
- 热失控触发：采用程序升温、加热—等待—搜寻（HWS）或电滥用等方式触发，全程记录温度、压力与电压的动态曲线。
- 气体收集与成分分析：通过密封罐收集产气，联用气相色谱仪测定各组分体积分数，并同步记录收集罐内压力变化过程。
2.3 与传焚烧弹、腔中腔方法的差异
不同于产气收集中常用的燃烧弹或“腔中腔”方案，具备整体绝热控制的量热方案在收集气体的同时能够保证热参数的准确性，从而将产热数据与产气数据进行联合分析；而传统方案往往只能保证其中一项数据的准确性。这一差异直接决定了热失控实验效率与数据可读性的高低。
三、典型实验数据对比
[图片：两类电芯绝热热失控温度—压力—产气速率同步曲线示意图，横轴为时间，右侧纵轴为压力，图中标注触发点与产气峰值时刻]
选取两个不同材料体系的典型容量电芯进行对比测试，实验数据表明（以下数据均已泛化，仅表征变化趋势）：
| 对比维度 | 磷酸铁锂电芯 | 三元电芯 |
|---|---|---|
| 自放热起始温度 | 相对较高 | 相对较低，热稳定性裕度更小 |
| 热失控最高温度 | 典型值区间，整体偏低 | 典型值区间，整体偏高 |
| 最大温升速率 | 较平缓 | 更陡峭，峰值显著提升 |
| 单位容量产气量 | 基准水平 | 明显高于基准水平 |
| 可燃组分（H2/CO/CH4）占比 | 组分结构相对稳定 | 可燃组分占比更高 |
| 腔体压力上升 | 上升相对缓慢 | 上升迅速，峰值更高 |
进一步对不同健康状态（SOH）的样本开展对比，结果显示：随着 SOH 下降，热失控孕育时间缩短、产气中可燃组分比例上升，说明老化电池的产气爆炸危险性高于新电池。这一结论与低温老化锂电池热失控及产气动力学研究的方向一致，提示全寿命周期的安全评估不可省略。
[图片：不同健康状态电芯热失控产气组分对比柱状示意图，横轴为气体种类，纵轴为体积分数相对值]
四、产气爆炸危险性评估
将绝热量热仪记录的压力—温度数据与气相色谱仪测得的可燃气体体积分数相结合，运用 Le Chatelier 公式可计算混合气体的爆炸极限，从而对不同状态电池的产气爆炸危险性作量化评估。工程上通常关注三个指标：
- 可燃组分总体积分数：反映爆炸性氛围形成的可能性。
- 爆炸下限与上限区间宽度：区间越宽，被点燃的概率越高。
- 产气速率峰值与压力上升速率的耦合关系：决定泄压与防爆设计的强度要求。
三者结合，可作为储能舱泄压设计、防爆选型与消防策略制定的输入参数，也是热失控产气爆炸风险预警的重要技术支撑。
五、结论与工程启示
- 产气安全评估必须做到“产热+产气”同步测量，单一维度数据容易低估真实风险。
- 材料体系决定风险量级：高镍三元在高 SOC 状态下的产气量与可燃组分占比明显高于磷酸铁锂。
- 老化与低 SOH 会显著缩短热失控孕育时间，产线抽检与在线监测应覆盖全寿命区间。
- 测试参数（触发方式、SOC、夹具形式、气体收集时机）对结果影响显著，需在报告中明确说明，避免不同实验之间直接横向比较。
参考来源
本文方法与数据参考自某技术期刊关于锂离子电池热失控产气特性的研究文献、某研究机构关于低温老化锂电池热失控及产气动力学的研究成果，以及 UL 9540A、UL 1642 等标准的相关测试要求；文中具体数值均已按安全要求作泛化处理，仅用于说明变化趋势。
关于热安全团队
热安全团队（thermsafe.cn）长期从事锂电池热安全与热管理测试，覆盖从单体热失控到材料特性分析的全场景测试需求，可为电芯企业、储能集成商与整车厂提供从测试方案设计、数据采集分析到安全评估的一体化技术支持。
热安全团队（thermsafe.cn）提供锂电池HWS热失控测试（绝热加速量热仪ARC）、锂电池宽温域变温比热容测试（差示绝热追踪法）、绝热环境锂电池充放电产热测试、锂电池失控产气测试、方壳/硬壳电池导热系数测定（两状态法无损测试）、锂电池ARC过充热失控测试（电滥用触发）、硬壳/方壳电池导热系数及接触热阻参数测定（储热-释放两状态法）、GB/T 36276电池绝热温升测试、ARC针刺热失控等专业服务。了解更多项目详情，请访问 https://thermsafe.cn/services.html。