DOI Link:
https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.124715
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https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=37063221500
https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=57075411100
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http://faculty.hust.edu.cn/jiangkai2/zh_CN/index.htm
http://faculty.hust.edu.cn/zhoumin3/zh_CN/index.htm
3. 收录日期
1. 科学问题
研究LMB在振动、倾斜、电气和热滥用条件下的性能，评估电池在这些滥用条件下的电气、热学和机械行为。
2. 实验与模型方法
2.2 电池规格与测试平台 (Fig.1)
1. 测试平台
研究对象为50 Ah Li||Sb-Sn金属锂电池（LMB）（Table 1）。
测试平台包括LANHE电池测试系统、数据采集系统、电池加热系统、振动测试系统、倾斜测试系统和外部短路（ESC）测试系统。
2. 充放电测试
使用LANHE电池系统（3V60A4CQ）进行充放电测试，以评估电池的基本性能。
3. 数据采集系统
数据采集设备包括功率分析仪（Keysight PA2203A）和数据记录开关单元（Agilent 34,972）。
实时采集电压、温度和ESC电流数据。
4. 电池加热系统
用于热冲击实验中的快速加热以及其他滥用实验中的工作温度维护。
通过2个K型热电偶（Omega HH-K-24）记录电池表面温度数据。
5. 滥用测试系统
振动测试系统、倾斜测试系统和ESC测试系统分别用于电池的振动、倾斜和外部短路滥用实验。
Fig. 1. The LMB abuse test platform. (a): Cell schematic of 50 Ah Li||Sb-Sn LMB; (b): Vibration test bench; (c): Inclination test bench; (d): ESC battery; (e): ESC test bench; (f): Thermal shock test bench; (g): The data acquisition.
2.3 实验测量
1. 电池预处理
在滥用实验前，将新电池加热至工作温度（500 °C）。
采用恒流-恒压（CC-CV）充电协议（截止电压1.2 V，电流0.1C-0.3C）和恒流放电协议（截止电压0.6 V，电流0.1C-0.3C）进行激活。
2. 实验结果 (Fig.2)
电池的电压和温度变化如Fig.2所示。
Fig. 2 The voltage and temperature variation of a fresh LMB. (a): 0.1C DCH-CH; (b): 0.2C DCH-CH; (c): 0.3C DCH-CH.
2.4 滥用实验
实验目标与设置
研究锂金属电池（LMB）在机械、电气和热滥用条件下的安全性与性能。
实验平台包括振动、倾斜和外部短路（ESC）测试系统，以及快速加热系统（Fig.1）。
1. 机械滥用 (Fig.1(b)、(c))
振动测试分析频率（1–20 Hz）和振幅（1–3 mm）对电池安全性的影响（Table 3）。
倾斜测试研究倾斜角度（0°–39.3°）和电池SOC（100%、70%、40%）的影响，包含90°倾斜实验验证内部短路（ISC）后安全性（Table 4）。
2. 电气滥用 (Fig.1(d)、(e))
利用电流开关器触发ESC，测试不同ESC持续时间（3 s–40 min）对电池自愈特性的影响（Table 5）。
3. 热滥用
电池在100% SOC下从500°C快速加热至800°C，不同持续时间后自然冷却至500°C，并进行两次充放电循环以评估电热性能（Table 6）。
3. 研究结果
3.1 水平振动对电池行为的影响
1. 低频振动的影响 (Fig.3(a)-(b))
振幅变化对低频振动（<10 Hz）下的电池电压和温度几乎无影响，波动范围<1%，电池保持安全状态。
2. 高频振动的影响 (Fig.3(c))
振动频率超过15 Hz时，电池电压出现不规则抖动并逐渐下降至0.95 V，温度波动范围显著增加。
振动停止后，电压和温度可恢复至稳定状态。
3. 振动对充放电行为的影响 (Fig.3(d)-(e))
振幅从2 mm增加到5 mm会导致充电失败，并降低库仑效率。
随着振动频率从8 Hz升至20 Hz，充电时间显著延长并超出放电时间，内部自放电加剧。
当振动频率超过15 Hz时，电压曲线失去平滑性，且无法充电至截止电压1.2 V。
Fig. 3 The voltage and temperature variation of the LMB during horizontal vibration. (a): Rest LMB, 1 Hz, 1–3 mm; (b): Rest LMB, 1–10 Hz, 2 mm; (c): Rest LMB, 15–20 Hz, 2 mm; (d): DCH-CH LMB, 5 Hz, 2–5 mm; (e): DCH-CH LMB, 8–20 Hz, 2 mm
3.2 垂直振动对电池行为的影响
1. 静置电池的行为 (Fig.4(a))
低频、小振幅垂直振动对静置电池无明显影响。
当振动达到20 Hz、2 mm时，静置电压骤降至0.53 V，表明内短路风险显著增加，这在水平振动中未观察到。
2. 对充放电行为的影响 (Fig.4(b)-(e))
振动频率≤8 Hz时，电池状态稳定；当频率达到10 Hz，电池内出现瞬态短路，电压急剧下降，最大跌幅达0.4 V，同时温度以2.8 °C/min速率短暂上升。
振动频率进一步升至15 Hz和20 Hz时，充电电压无法上升，温度继续以1.14 °C/min的速率升高。
3. 故障恢复能力
LMB在振动停止后可恢复至正常状态，表现出较强的抗故障和自愈能力。
对电池结构的影响
垂直振动较水平振动更容易破坏电极界面稳定性，降低锂与镍泡沫的附着性，并增加正负极接触风险。
4. 地震适应能力的对比
垂直振动过程中，电压与温度波动更剧烈，表明LMB在垂直方向的抗震能力弱于水平方向。
Fig. 4. The voltage and temperature variation of the LMB during vertical vibration. (a): Rest LMB, 1–20 Hz, 2–3 mm; (b): DCH-CH LMB, 8 Hz, 2 mm; (c): DCH-CH LMB, 10 Hz, 2 mm; (d): DCH-CH LMB, 15 Hz, 2 mm; (e): DCH-CH LMB, 20 Hz, 2 mm.
3.3 100% SOC 电池在倾斜滥用下的表现
1. 低倾斜角下的性能 (0°-25.8°)
电池的充放电电压（0.1C、0.2C、0.3C）和表面温度随倾斜角度增加无显著变化（Fig.5(a)）。
中等倾斜角下的短路风险 (28.4°)
在0.3C放电600秒后出现短路，电压骤降至0.4 V，温度升至497 °C；0.1C和0.2C下充放电未受影响（Fig.5(b)-(c)）。
2. 高倾斜角下的表现 (39.3°)
静置电压降至0.2 V，表面温度显著升高；0.1C放电和0.2C充电时，电压分别降至0.2 V和0.15 V，同时温度急剧上升，显示内短路（ISC）反应发生（Fig.5(c)-(d)）。
安全倾斜角阈值 (40°)
所有倍率（0.1C、0.2C、0.3C）下均观察到类似的短路迹象，确认LMB的安全倾斜角阈值为40°（Fig.5(c)-(d)）。
3. 运行倍率对安全性的影响
高倍率下，电极界面的物质传输速率加快，对界面稳定性的要求更高； 当超过安全倾斜角时，电压和温度出现短路信号，但电池未实际短路，恢复水平状态后可正常运行（Fig.5(d)）。
Fig. 5. The voltage and temperature variation of 100 % SOC LMB during inclination. (a): DCH-CH at 0.1C-0.3C, 25.8°; (b): DCH-CH at 0.1C-0.3C, 28.4°; (c): Rest LMB, 39.3°; (d): DCH-CH at 0.1C, 39.3°; (e): DCH-CH at 0.2C, 39.3°; (f): DCH-CH at 0.3C, 39.3°.
3.4 倾斜滥用下30% DOD和60% DOD电
1. 实验条件
为探讨放电产物和阳极-阴极间距对倾斜滥用的影响，分别在30% DOD和60% DOD下进行实验，电池在倾斜前分别以0.3C电流放电1小时和2小时（Fig. 6）。
2. 30% DOD电池表现
在倾斜角度31.9°至39.3°之间，30% DOD电池仍能在0.3C条件下进行正常的充放电（DCH-CH），未出现异常行为（Fig. 6）。
3. 60% DOD电池表现
60% DOD电池在相同倾斜角度下，表现与30% DOD类似，静态电压逐渐下降，但电池温度没有显著波动，这表明阳极和阴极之间未发生接触，也未出现化学反应，电池继续正常运行（Fig. 6）。
4. 静置电压变化
随着倾斜角度增加，电池的静置电压持续下降，放电5分钟后，电压降至0.2V。然而，电池温度没有显著波动，表明电池未发生短路现象，仍可维持正常运行（Fig. 6）。
5. 结论
即使在较大倾斜角下，30% DOD和60% DOD电池能够保持正常的DCH-CH过程，未发生短路，说明倾斜滥用对这些电池的影响较小。
Fig. 6. The voltage and temperature variation of 30 % DOD and 60 % DOD LMB during inclination. (a): 30 % DOD, DCH-CH at 0.3C, 31.9°; (b): 30 % DOD, DCH-CH at 0.3C, 36.6°; (c): 30 % DOD, DCH-CH at 0.3C, 39.3°; (d): 60 % DOD, DCH-CH at 0.3C, 31.9°; (e): 60 % DOD, DCH-CH at 0.3C, 36.6°; (f): 60 % DOD, DCH-CH at 0.3C, 39.3°; (g): 100 % SOC, 90° complete inclination.
3.5 ESC滥用下的电池性能
1. 短时间ESC的影响
短时ESC：Fig. 7(a)：短时间的ESC对电池表面温度没有显著影响，电池电压瞬间下降至0.23 V，并伴随最大电流67.9 A的瞬间跃升，随后电流逐渐衰减。
ESC结束后：电池电压立即恢复到初始电压，接下来的DCH-CH过程保持正常。
2. 长时间ESC的影响
温度升高：随着ESC时间延长，电池表面温度显著上升。在40分钟的ESC过程中，电池表面温度在30分钟内从550°C升高到564°C，温升速率为0.55°C/min。30分钟后，温度开始下降。
3. ESC与ISC的比较
热量释放：ESC主要通过外部小阻抗快速放电，内产生的热量主要来自欧姆热和反应热。相比之下，ISC通过电池内部化学反应释放的热量更多，导致ISC中的温升更。因此，ESC的温升低于ISC。
4. 结论
在整个ESC实验过程中，电池未发生热失控、火灾或爆炸，表明ESC滥用条件下LMB的安全性较高。
Fig. 7. The voltage and temperature variation of LMB during ESC of different duration. (a): 3 s; (b): 30 s; (c): 60 s; (d): 10 min; (e): 20 min; (f): 40 min.
3.6 过热滥用下的电池性能
1. 冲击实验结果
温度变化：Fig. 8 LMB的温度随着炉温迅速上升，从500°C升高至800°C，并维持在800°C。
升温过程中，电池在0.1C下平稳放电。放电30分钟后，电池开始充电，充电电压曲线保持平稳。
2. 充放电效率变化
充电效率下降：当电池充电至1.2 V的截止电压时，充电时间为65分钟，是放电时间的两倍多，表明热冲击显著影响了电池的库仑效率，首次循环库仑效率降至45.8%（加热速率为5°C/min）。
3. 冷却过程
库仑效率恢复：在冷却过程中，电池温度从800°C降至500°C，并且第二循环的库仑效率回升至66.9%。
随着加热速率的增加，电池库仑效率呈下降趋势，显示出电池内自放电速率逐渐加快。加热速率越高，锂在电解液中的溶解度增加，自放电速率也随之增加。
4. 热冲击极限
最大热冲击速率：经过热冲击实验后，电池温度恢复至500°C，库仑效率恢复至95%以上。
Fig. 8(g)：电池没有明显变形，表明LMB能够承受最高60°C/min的热冲击速率。
Fig. 8. The voltage and temperature variation of LMB during thermal shock of different overheating rates. (a): 5 °C/min; (b): 7.5 °C/min; (c): 10 °C/min; (d): 15 °C/min; (e): 30 °C/min; (f): 60 °C/min; (g): after thermal shock test.
4. 重要结论
振动滥用：水平振动对电池影响较小，但频率超过15 Hz时，电池电压下降；垂直振动则在高频下导致短路风险，温度升高。
倾斜滥用：在100%SOC下，倾斜角度超过28.4°时电池出现短路，温度升高，39.3°以上倾斜导致内部短路反应。电池具有较强的自修复能力。
90°完全倾斜：电池在90°倾斜下发生完全短路，电压降至0 V，温度升至590°C，但电池外观完好，显示高安全性。
电气滥用（ESC）：ESC短期内对电池影响较小，电池恢复正常；长时间ESC导致温度升高，但未发生热失控。
过热滥用：热冲击实验中，电池在高温下未变形，库仑效率下降后恢复至95%以上，表明电池抗热冲击能力强。
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