热失控指电池单体放热连锁反应引起电池温度不可控上升的现象。造成动力电池热失控的诱因主要有机械滥用、电滥用和热滥用，热失控可能由这三个因素单独或者耦合诱发。
图1 锂电池热失控过程图[1]
结合电池材料热稳定性与分解特征，锂电池热失控过程大致分为三个阶段：
（1）自反应放热阶段：由于内部短路，外部加热或者电池自身在大电流充放电时自身发热，使得电池内部温度上升至90~100℃左右，SEI膜开始收缩分解，正负极材料与电解质发生接触，负极开始与电解液反应，放出热量进一步提高温度；
（2）电池放气鼓包阶段：锂电池温度持续上升至200℃以上，正极发生分解反应，释放热量并产生气体，使得电解质发生分解，进一步升温；
（3）电池热失控爆炸阶段：极高的温度，导致锂电池发生大规模内短路，电解液燃烧放出大量热量与气体，进而导致电池燃烧爆炸。
电池热失控是电池安全的重要组成部分，关于锂电池热失控方面的研究也是锂电池行业研究的热点。包含锂电池热失控要求和测试方法的标准有GB/T 36276-2018、UL 9540A:2018和UL 1973:2018等。GB/T 36276-2018侧重于检测储能用锂离子电池在发生热失控时是否发生起火、爆炸。如若发生起火、爆炸，试验终止且判定型式试验不合格，直接影响产品的出厂使用；UL 9540A:2018侧重于检测储能系统用电芯发生热失控时，对其起火特性进行评估，获得相关数据，以用于确定储能系统防火防爆措施；UL 1973:2018侧重于检测电池系统中电芯发生热失控时，对周围电芯及电池系统的影响，获得相关数据，以便通过电芯设计减少单个电芯失效时对整个电池系统的影响。
GB/T 36276-2018和 UL 9540A:2018触发电芯热失控的方法均为加热法[2]。UL 1973:2018除采用外部加热法外，提供了多种触发热失控方法，包括内部缺陷类：导电污染物、隔膜破坏、内部加热器；外部应力类：外部加热器、挤压机制、针刺、短路、过充。
为了能够更准确地对锂电池的热安全性能进行评估，研究者希望能够在绝热实验环境下对锂电池进行热失控测试，测试的关键仪器为电池绝热量热仪。电池绝热量热仪通过追踪电池温度变化，并动态调节环境温度，可消除电池与环境之间的温差，从技术层面实现系统的热动态封闭。在这种绝热测试环境下，电池的温度变化必然是自身吸放热导致的。因此通过绝热量热仪可以准确测定电池热失控过程中的关键参数。
图2 GB/T36276-2018 热失控试验加热装置示意图[2]
以18650电池为例，可利用小型电池绝热量热仪进行测试。利用仪器的H-W-S工作模式进行热失控实验，可以得到如图3所示的电池热失控温升曲线。曲线前半部分为“H-W-S” 模式，仪器将通过外部加热实现电池台阶式升温，并重复进行加热-等待-搜寻过程，直至检测到锂电池开始自放热。随后仪器将自动跳转为“绝热追踪”模式，电加热系统将控制电池周围的环境温度紧跟电池温度变化，确保电池产热完全用于升高自身温度。通过锂电池热失控曲线，我们可以对其中一些特殊的温度点进行测定和分析，评估电池的热安全性能。例如，Tonset是锂电池自放热起始温度，电池自产热速率高于0.02 ℃/min，可以认为该温度下SEI膜开始分解。高于此温度，电池将出现明显的自产热；而TTR是热失控引发温度，一般定义为电池的自产热速率高于1℃/s 的温度。在此温度后，电池将出现剧烈温升，温升速率可能高达105 ℃/min，同时一般会伴随产生大量的光和热；Tmax是锂电池热失控过程能达到的最高温度。
图3 18650电池热失控测试温升曲线
小型电池绝热量热仪仅能满足18650等小型锂电池的热失控实验需求，而体积和容量较大的锂电池或模组需要使用腔体尺寸更大、功能更丰富、防护等级更高的大型电池绝热量热仪进行测试。大型电池绝热量热仪不仅能够通过程序升温等热滥用方式诱发电池热失控，还可以进行过充、过放、外部短接等电滥用以及针刺、挤压等机械滥用实验，并测定热失控相关数据。另外，大型电池量热仪还可以通过内置摄像头直观地观察实验现象。从下面的视频中可以看出，热失控发生后，伴随着温度急剧变化，电池将经历发生气体喷出、火焰喷射、燃烧和熄灭结束四个阶段。研究表明，电池热失控过程产生的烷烃类气体和电解液蒸气与氧气混合后极易被引燃，随即可发生爆炸式燃烧[4]。
[1] Feng X , Ouyang M , Liu X , et al. Thermal runaway mechanism of lithium ion battery for electric vehicles: A review.
[2] 锂电池热失控/扩散发生机理、预防措施及标准检测方法浅析.北京鉴衡认证中心
[3] 孙金华,王青松. 锂离子电池火灾防控技术关键技术及应用.中国消防协会科技成果鉴定会.2021:2
[4] 羡学磊，董海斌等. 三元锂离子动力电池热失控及火灾特性研究，《储能科学与技术》 2020. 19（01）:239-249
