電網儲能應用中，鋰電池正快速替代傳統儲能系統。截至2022年底，鋰電池在全球儲能系統占比已高達94.5%。然而，在發生熱失控時，電池內部發生放熱反應，熱量和反應氣體在電池內部持續積累，導致電池內壓增大。對于儲能系統，單體熱失控會導致熱傳播，進而引發整個電池包起火、爆炸。此外，熱失控產生大量毒氣，對用戶和消防人員的安全以及環境造成嚴重危害。

因此，對電池熱失控早期監測十分必要，產氣檢測技術研究已成為當前儲能領域的關注熱點。安可捷將介紹電池產氣過程及產氣檢測方法，為產氣分析檢測技術研發和標準化提供參考。

01電池熱失控產氣機理

在熱濫用、電濫用和機械濫用條件下，電池內部會發生放熱化學反應，釋放大量熱量及氣體，如：固體電解質相界面膜分解反應(90~120℃)、負極與電解液反應(100~350℃)、電解液分解反應(110~300℃)、隔膜收縮與熔融反應(>130℃)、正極與電解液反應(200~300℃)及黏結劑分解反應(200~300℃)等（圖1）。從熱失控電池內部反應可知，電池產氣主要包含CO2、CO、H2、CxHy、CxHyOz、CxHyF、POF3和HF等。

02產氣關鍵指標及檢測方法

2.1.產氣量及檢測方法

產氣量是熱失控的重要參數，不僅關系到電池的泄壓設計，也關系到各組分的濃度等。通過測量反應前后的氣體溫度，計算熱失控產生的氣體量。在實際熱失控過程中，氣體會存在較大的溫度梯度，導致計算的產氣量存在偏差。此外，產氣量與電池材料體系、電池的SOC等因素也有關，在同等容量或質量下，三元體系產氣量要高于鐵鋰體系；SOC越高，產氣量也越高。

2.2.氣體成分及檢測方法

如產氣機理部分所述，熱失控產生多種氣體，其中，CO2、CO、H2和CxHy的占比較大。在滿電狀態下，熱失控的氣體H2、CO2和CO的質量分數高于80%，其余為CxHy。電池熱失控氣體成分會受到SOC的影響，當SOC從50%增加到150%時，CO2體積分數降低、CO體積分數上升。產氣成分的確定，可以通過以下表征手段進行：

2.2.1.氣相色譜-質譜聯用（GC-MS）

混合氣體進入色譜柱后由于吸附劑對于不同成分的吸附速率不同，使不同組分分離進入質譜，通過荷質比 m/Z 鑒別產氣成分。GC-MS檢測產氣成分方法成熟，簡單，取少量產氣成分注入 GC-MS 即可進行測量。在獲得標準氣體后，還能實現對產氣成分的定量分析。除質譜檢測器外，FID，TCD 等檢測器也常用于氣相色譜對電池產氣的成分分析。TCD的優勢是對于有機物和無機物都能響應，缺點是對溫度、氣體流量等參數非常敏感，對環境條件要求較為苛刻。

2.2.2.傅立葉變換紅外吸收光譜（FTIR）

FTIR分析的原理是通過不同氣體對紅外線的特征性吸收圖譜，分析混合氣體的組成成分，與 GC-MS 法不同，紅外氣體分析可以進行在線測量，ISO 19702：2015“用傅立葉變換紅外（FTIR）光譜法對火焰廢氣中有毒氣體和蒸氣進行采樣和分析的指南”詳細介紹了紅外法檢測混合氣體成分的采樣和分析方法。

2.2.3.微分電化學質譜儀（DEMS）

質譜通過使各組分氣體發生電離后，根據不同的荷質比進行分離統計，形成質譜圖，通過不同組分氣體特征性的質譜圖譜進行成分鑒定。通過與電化學反應裝置和質譜儀聯用，可用于現場檢測電化學反應中的揮發性氣體產物的儀器逐漸被開發出來。差分電化學質譜-電化學紅外光譜是將質譜和紅外光譜儀（DEMS-DEIRS）共同與電化學體系聯用，能夠更加準確的在線測量常見電池產氣成分的變化情況。

2.3.產氣分布及檢測方法

對產氣分布情況的研究對于評估電池內部結構穩定性和監測電池內壓及穩定性十分重要，主要采取以下先進手段進行表征：

2.3.1.同步加速X射線斷層掃描

同步加速X射線斷層掃描是將高能X射線穿過被測樣品，根據射線的衰減或相移的檢測，重建通過對象的橫截面。通過將這些橫截面堆疊在一起，可以實現三維立體可視化結構重現。如圖 5所示，同步加速X射線斷層掃描可以實現產氣的三維可視化，直觀展示產氣在電極的產生和流動情況。

2.3.2.超聲無損檢測

超聲檢測是利用超聲波對材料內部結構進行探測的無損技術。超聲波在氣相中會發生顯著衰減，而在固體、液體相中則衰減量較小，并在氣-液、氣-固界面發生反射，利用這一現象可以探測電池內部的產氣分布情況。將3uL氣體注入電池中并與未注入氣體電池在超聲掃描下對比觀察，如圖6所示，雖然氣體量很小，但氣體在電池中擴散的狀態在超聲下能夠被清楚的觀測。

熱失控是鋰離子電池安全研究的熱點，現有研究對熱失控電池內部化學反應的產氣機理比較透徹，熱失控主氣體成分比較明確，但對氣體的產氣量測量缺少準確、可操作性的方法研究，氣體毒性和燃爆危險性研究關注度不高，研究深度有待提高。

未來儲能電池產氣研究的主要方向將圍繞大尺寸電池測試方法和標準化進行，引領電池生產企業提升技術水平，保障電池安全性，維護消費者生命健康。

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