突破产业瓶颈！NatureEnergy最新研究：实验室微型电池革新安全测试，加速高能锂电池研发

第一作者：Seongjae Ko

通讯作者：Takuya Masuda和Atsuo Yamada教授

通讯单位：日本国立材料科学研究所、成均馆大学

【成果简介】

随着对更高能量密度和更大尺寸可充电电池的需求不断增加，建立可靠的电池安全技术变得至关重要。特别是，理解和控制电池中的热失控现象，对于开发高安全性电池来说是必不可少的。

对此，来自日本国立材料科学研究所的Takuya Masuda教授和东京大学、成均馆大学的Atsuo Yamada教授等就如何通过加速率量热法 (Accelerating Rate Calorimetry, ARC) 对实验室规模的小型电池进行快速安全性筛选，设计了一种小型圆柱形软包电池 (约21 mAh，约0.1 g正极活性材料)，这种电池对热量产生非常敏感，从而实现在实验室规模上进行全电池级别的ARC测试。这些ARC测试使得对材料、电池设计和操作条件的安全性筛选更加高效、节省时间和成本，从而加速了高安全性电池的开发。

相关研究成果以“Rapid safety screening realized by accelerating rate calorimetry with lab-scale small batteries”为题发表在Nat. Energy上。

【研究背景】

可充电电池 (例如锂离子电池) 在现代技术中发挥着关键作用，因为它们被用于为消费电子产品和工业能源存储系统提供动力，这两者对于可持续的绿色社会至关重要。随着对更高能量密度和更大尺寸可充电电池的需求增加，确保电池的安全性变得尤为重要。

电池在运行过程中，由于内部连续放热反应导致的无法控制的温度急剧上升，可能引发火灾和爆炸。因此，理解和控制热失控对于开发安全可靠的电池至关重要。然而，目前在全电池层面上进行的热失控测试受到电池尺寸要求的限制，需要使用大于安时（Ah）级别的电池，这导致了测试成本高昂且效率低下。此外，现有的测试方法无法在产品开发的早期阶段对电池材料和设计进行有效的筛选。

【研究内容】

为了克服这些限制，研究者设计了一种小型圆柱形软包电池 (约21 mAh，匹配约0.1 g正极活性材料)，这种电池对热量产生非常敏感，使得研究者能够在实验室规模上进行全电池级别的ARC测试。通过这种方式，可以快速进行安全性筛选，并为电池设计提供早期反馈，从而加速高安全性电池的开发。

图1. 用于全电池级安全评估的典型ARC模块示意图及典型热失控案例。

ARC试验中热失控检测理论

TRF是一个关键参数，用于描述电池在ARC测试中的热失控检测灵敏度。通过计算电池的能量与电池比热容和质量的乘积的比值，并结合电池的体积与表面积比 (V/S)，可以得到TRF (如下公式)。

实验室规模小型电池的热失控观测

通过设计和对比不同电池类型 (包括硬币型、单层软包型和圆柱形软包型电池) 的热失控因子 (TRF)。发现圆柱形软包电池由于其较低的比热容和较大的V/S，展现出比其他类型电池更高的TRF值，从而在ARC测试中表现出更高的热失控检测灵敏度。实验结果表明，当外部温度超过90°C时，所有类型的电池都开始自发热过程。然而，只有圆柱形软包电池在220°C时观察到了由充电态的LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂正极活性材料释放氧气引发的热失控。这表明TRF可以作为预测电池安全性的有效描述符。

图2. 不同类型电池的TRF计算和ACR测试。

基于TRF的电池安全

研究者进一步研究了TRF与电池安全性之间的关系。他们制造了18个不同载荷水平、电极和电池尺寸的圆柱形软包电池，并进行了ARC测试。结果显示，自发热率与TRF之间存在较高的相关性 (R²值为0.82-0.92)，而与传统的体积能量密度和质量能量密度描述符的相关性较弱。这表明TRF是一个简单但可靠的电池安全性描述符。

图3. 不同圆柱形尺寸的电极和电池的制造。

图4. 热失控前的自热速率和热失控开始温度与不同描述符的相关性。

TRF能够有效预测电池的热失控行为，还可以通过设定较小的TRF目标，为提高电池安全性提供宝贵的指导。通过改变电池的高径比 (H/D)，可以降低TRF值，从而延迟热失控的起始温度。例如，将H/D比从3.6增加到11.7，可以使热失控的起始温度从212°C延迟到223°C。

图5. 不同宽高比电池的TRFs和ARC结果。

电池材料和循环条件的安全筛选

TRF还可以用于筛选电池材料和操作条件。例如，使用更热稳定的LiNi_0.5Mn_0.3Co_0.2O₂正极材料可以降低自发热率，而使用LiFSI基电解液则会导致更高的自发热率。此外，长期充放电循环会导致高镍LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂正极与电解液之间的副反应，增加内部电阻、电解液消耗以及易燃气体的生成，从而增加热失控的风险。

【商业化应用潜力分析】

1. 市场需求与产业痛点

随着电动汽车、储能系统等领域对高能量密度锂电池需求的激增，电池热失控问题成为制约行业发展的关键瓶颈。传统加速量热（ARC）测试依赖安时级大电池，材料消耗大、成本高昂，且测试周期长，难以满足快速迭代的研发需求。本文提出的实验室级微型电池（21mAh）结合ARC测试方法，通过优化热失控因子（TRF），显著降低测试成本（材料用量减少90%以上），并提升热失控检测灵敏度，直击产业界对低成本、高效率安全评估工具的迫切需求。

2. 技术优势与应用场景

早期研发优化：微型电池可在材料筛选和电芯设计阶段快速反馈安全性数据，帮助厂商提前规避热失控风险，缩短开发周期。例如，测试不同阴极材料（如高镍vs.低镍）、电解质配方（如LiPF₆ vs. LiFSI）的热稳定性差异，指导高安全性电池开发。

降本增效：传统ARC测试单次成本高达数千美元，而微型电池仅需约0.1g正极材料，大幅降低试错成本，尤其适合中小型企业和科研机构。

灵活适配：通过调整电池高径比（H/D）等参数控制TRF值，可适配不同电池类型（如圆柱、软包）的测试需求，技术扩展性强。

3. 商业化路径与挑战

标准化与认证：需推动行业认可实验室级测试结果与实际大电池性能的相关性，并争取纳入国际安全标准（如UL 1642、IEC 62619）。

设备与生态协同：配套ARC设备的普及度及操作简化是关键。可探索与仪器厂商合作开发专用模块，或提供“测试服务+数据分析”的一体化解决方案。

产业链合作：与头部电池企业（如宁德时代、LG新能源）合作验证技术可靠性，或向第三方检测机构（如TÜV、SGS）授权技术，快速切入市场。

数据驱动优化：结合AI模型预测TRF与热失控关联性，提升测试结果的指导价值，形成技术壁垒。

4. 市场竞争与壁垒

目前同类小型化安全测试技术较少，本文方法的独特优势在于：

高灵敏度：通过TRF量化热积累与散热平衡，比传统能量密度指标更精准预测热失控。

低成本快速验：尤其适合新兴材料（如固态电解质、硅基负极）的安全性评估。

潜在竞争可能来自仿真软件或高通量测试平台，但实验数据的不可替代性仍为核心壁垒。

【结论展望】

综上所述，引入了一个简单的TRF指标，用于量化电池的热量积累与热量散失之间的平衡。模型试验验证，以更高的TRF为目标设计电池有助于精确控制电池的热平衡，从而降低ARC测试中热失控的检测阈值。该研究有望加速对各种材料、电极/电池设计和操作条件下的电池安全性筛选。未来对这种适用于不同电池化学体系的方法进行验证的研究，预计将促进具有改进的热管理和可靠性的高效产品开发。

来源：能源学人

【文献信息】

Seongjae Ko, Hiromi Otsuka, Shin Kimura, Yuta Takagi, Shoji Yamaguchi, Takuya Masuda & Atsuo Yamada^*, Rapid safety screening realized by accelerating rate calorimetry with lab-scale small batteries,Nat. Energy, https://www.nature.com/articles/s41560-025-01751-7

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