【儲能應用】| GM公司無負極銅-硫化鋰半固態電池的絕熱量熱測試研究

時間：2026/7/28閱讀：99

鋰硫電池技術正快速發展，憑借高理論能量密度，已成為下一代動力電池熱門路線，但傳統液態電解液 + 金屬鋰負極方案易燃、熱失控門檻低，安全痛點長期制約產業化。

近期通用汽車（GM）最新發表于《Journal of Energy Chemistry》的半固態 Cu-Li?S 電池重磅研究，依托 ES ARC 絕熱加速量熱儀完成軟包電芯熱安全測評，精準量化新型電解液、固態電解質體系的安全優勢，為固態 / 鋰硫電池熱安全研發提供標準化測試范式。

具體測試表征手段

1. 采用電化學阻抗譜（EIS）表征電池電化學性能；

2. 利用加速量熱儀（ES ARC）完成絕熱熱失控測試；

3. 借助掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線光電子能譜（XPS）、低溫掃描透射電鏡-電子能量損失譜（低溫STEM/EELS），分析固體電解質界面膜結構與鋰沉積/剝離行為。

圖1. (a) 具有過量鋰儲備（20 μm）的半固態Li-Li?S扣式電池的循環壽命和(b)電壓曲線；(c) 無負極半固態Cu-Li?S單層軟包電池的循環壽命和(d)電壓曲線。

圖2.(a) 0% SOC下的Cu-Li2S全電池，(b) 0% SOC下的Cu-Li半電池，(c) 100% SOC下的Cu-Li?S全電池，(d) 100% SOC下的Cu-Li半電池。四種電池條件下負極–電解質界面的化學濃度分布。所有標尺均為250 nm。

絕熱加速量熱儀（ES ARC）研究

對比無負極半固態銅-硫化鋰單層軟包電池與傳統鋰硫單層軟包電池的熱安全性能。傳統鋰硫電池采用易燃的1,3-二氧戊環/二甲氧基甲烷液態電解液，且內置過量金屬鋰，存在顯著安全隱患。采用 ES ARC 開展 100% SOC 單層軟包電芯絕熱熱濫用測試：

絕熱加速量熱測試方案

實驗采用 THT ES-ARC型絕熱加速量熱儀，通過升溫-恒溫-自放熱搜尋（HWS）模式，測定兩種電池體系的熱失控起始溫度（Tonset）與熱失控溫度（Ttr），具體實驗流程如下：

1. 設備初始溫度設為50 ℃，以5 ℃為梯度逐步升溫，最高上限溫度設置為400 ℃；

2. 每級臺階升溫后恒溫靜置30 min，保證電池內部充分熱平衡，隨后監測電池自放熱速率，監測靈敏度閾值為0.02 ℃/min；

3. 若電池自放熱速率未超過檢測閾值，設備自動切換至升溫模式，繼續升溫5 ℃進入下一恒溫測試階段；

4. 一旦自放熱速率超出設定閾值，設備切換至放熱追蹤模式，持續實時記錄電池溫度，全程規避系統熱量損耗干擾，直至電池發生熱失控。

測試結果

無負極半固態（溶劑化離子液體+固態電解質）電池的熱失控起始溫度、熱失控溫度均顯著更高，相較傳統液態電解液鋰硫電池，整體熱安全性能大幅提升，具體測試數據如下：

圖3. (a) 一個使用DOL:DME電解質的傳統Li-S單層軟包電池（SLPC）和兩個使用SIL+SSE電解質的半固態無負極Cu-Li2S單層軟包電池在100% SOC下的ARC溫度曲線。每個電池的Tonset（起始放熱溫度）用箭頭標出。(b) 相同單層軟包電池的升溫速率曲線。每個電池的TTR（熱失控觸發溫度）用箭頭標出。水平虛線表示TTR自加熱速率閾值（>1 °C min?1）。

核心實測數據全部由 ES ARC 捕獲：

熱失控起始溫度 Tonset大幅提升

傳統 DOL:DME 液態電解液電池：熱失控觸發起始僅116℃；

半固態 SIL + 固態電解質電芯： Tonset高達188℃，提升 72℃；

熱失控臨界溫度Ttr 顯著延后

傳統電芯 231℃熱失控，新型半固態電池平均失控溫度 262℃，大幅拓寬高溫安全窗口；

完整復現全流程熱行為曲線

ES ARC 通過標準 HWS（加熱-等待-搜尋）模式，全程絕熱零熱損失，同步記錄溫度、溫升速率、時間三維數據，清晰區分電解液、固態電解質、鋰沉積帶來的放熱差異，直觀證明低可燃性 SIL 電解液 + 無負極設計雙重安全增益。

關鍵溫度定義

1. 熱失控起始溫度Tonset：電池自放熱反應速率突破0.02 ℃/min閾值對應的溫度；

2. 熱失控溫度Ttr（鋰硫體系專用定義）：電池自放熱速率達到1 ℃/min時的溫度。

分析與展望

無負極半固態電池鋰硫熱安全性能優于傳統鋰硫電池，核心原因主要包含兩點：

1. 溶劑化離子液體（SIL）的阻燃性、熱穩定性遠優于傳統DOL/DME液態電解液，不易受熱燃燒、分解；

2. 無負極結構摒棄了傳統金屬鋰箔負極，大幅減少電池內部高活性金屬鋰含量，從根源降低熱失控風險。

/ 為什么電池研發，統一選用 ES ARC？/

作為 THT 旗艦小型絕熱量熱設備，ES ARC 是高校、車企、材料企業研發實驗室標配，適配扣式、小軟包、圓柱電芯、電解液、固態電解質粉體全品類試樣，匹配本次 GM 硫化鋰固態電池研究場景，核心硬核優勢：

絕熱保真，還原真實熱失控最壞工況

Phi 因子≤1.05，腔體實時同步追蹤樣品溫度，近乎零熱散失，模擬電池內部熱量無法散出的絕熱場景，區別于 DSC、TG 非絕熱測試，數據可直接對標整車高溫濫用、熱蔓延真實工況。

超高靈敏度，捕捉早期微弱自放熱

檢測靈敏度為 0.005℃/min，提前捕捉 SEI 膜分解、微量多硫化物副反應、鋰枝晶初期放熱，在熱失控萌芽階段鎖定風險點，本次實驗精準區分 116℃/188℃微小自產熱起始差異。

多功能兼容，適配下一代新型電池全路線

?兼容鋰硫、固態硫化物電解質、無負極、金屬鋰、鈉離子、高鎳三元等前沿體系；

?支持針刺、擠壓、過充、短路、高溫熱濫用多類絕熱測試；

?可聯動電池測試儀，同步采集電壓、容量、熱數據，實現電化學-熱耦合分析；

配套壓力采集模塊，同步監測熱失控產氣、鼓脹風險，對應文獻中電解液產氣、電芯膨脹問題研究。

THT ES-ARC 加速量熱儀是動力電池熱安全評價黃金標準，可精準捕捉電芯微弱自放熱信號、量化熱失控關鍵溫度，適配鋰硫、固態電池、三元、磷酸鐵鋰全體系電芯安全測評。

若您正在開展新型電池電解液、負極體系、固態電解質研發，可通過絕熱量熱測試快速量化熱穩定性差異，為材料篩選、方案迭代提供可靠數據支撐。

THT 公司是設計、制造和供應用于工藝開發、優化和安全性測試的專業量熱儀的全球供應商。總部位于英國，在美國和印度均設有辦事處。

THT儀器的應用范圍很廣。目前用于全球 600 多家制藥和化工公司、鋰電制造商、政府實驗室和高校。

歐美大地儀器設備有限公司是中國工程測試儀器設備整體解決方案提供者，在全國 10 多個城市設有分公司。

作為 THT 的代理，歐美大地將負責 THT 所有產品的銷售、維修和保養、技術支持和售后服務。我們為客戶提供：

全系列產品：

覆蓋 THT 全產品線，滿足從材料-電芯-系統級的全鏈條熱安全測試需求。

定制化方案：

根據客戶應用場景，提供專屬測試方案與系統集成服務。

專業技術支持：

資深應用工程師團隊提供安裝調試、操作培訓、應用開發。

高效售后服務：

全國 10 + 分支機構、常備備件庫與 48 小時快速響應機制。

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