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【储能应用】| GM公司无负极铜-硫化锂半固态电池的绝热量热测试研究
更新时间：2026-07-28
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锂硫电池技术正快速发展，凭借高理论能量密度，已成为下一代动力电池热门路线，但传统液态电解液 + 金属锂负极方案易燃、热失控门槛低，安全痛点长期制约产业化。
近期通用汽车（GM）最新发表于《Journal of Energy Chemistry》的半固态 Cu-Li₂S 电池重磅研究，依托 ES ARC 绝热加速量热仪完成软包电芯热安全测评，精准量化新型电解液、固态电解质体系的安全优势，为固态 / 锂硫电池热安全研发提供标准化测试范式。
具体测试表征手段
1. 采用电化学阻抗谱（EIS）表征电池电化学性能；
2. 利用加速量热仪 （ES ARC）完成绝热热失控测试；
3. 借助扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）、低温扫描透射电镜-电子能量损失谱（低温STEM/EELS），分析固体电解质界面膜结构与锂沉积/剥离行为。
图1. (a) 具有过量锂储备（20 μm）的半固态Li-Li₂S扣式电池的循环寿命和(b)电压曲线；(c) 无负极半固态Cu-Li₂S单层软包电池的循环寿命和(d)电压曲线。
图2.(a) 0% SOC下的Cu-Li2S全电池，(b) 0% SOC下的Cu-Li半电池，(c) 100% SOC下的Cu-Li₂S全电池，(d) 100% SOC下的Cu-Li半电池。四种电池条件下负极–电解质界面的化学浓度分布。所有标尺均为250 nm。
绝热加速量热仪（ES ARC）研究
对比无负极半固态铜-硫化锂单层软包电池与传统锂硫单层软包电池的热安全性能。传统锂硫电池采用易燃的1,3-二氧戊环/二甲氧基甲烷液态电解液，且内置过量金属锂，存在显著安全隐患。采用 ES ARC 开展 100% SOC 单层软包电芯绝热热滥用测试：
绝热加速量热测试方案
实验采用 THT ES-ARC型绝热加速量热仪，通过升温-恒温-自放热搜寻（HWS）模式，测定两种电池体系的热失控起始温度（Tonset）与热失控温度（Ttr），具体实验流程如下：
1. 设备初始温度设为50 ℃，以5 ℃为梯度逐步升温，最高上限温度设置为400 ℃；
2. 每级台阶升温后恒温静置30 min，保证电池内部充分热平衡，随后监测电池自放热速率，监测灵敏度阈值为0.02 ℃/min；
3. 若电池自放热速率未超过检测阈值，设备自动切换至升温模式，继续升温5 ℃进入下一恒温测试阶段；
4. 一旦自放热速率超出设定阈值，设备切换至放热追踪模式，持续实时记录电池温度，全程规避系统热量损耗干扰，直至电池发生热失控。
测试结果
无负极半固态（溶剂化离子液体+固态电解质）电池的热失控起始温度、热失控温度均显著更高，相较传统液态电解液锂硫电池，整体热安全性能大幅提升，具体测试数据如下：
图3. (a) 一个使用DOL:DME电解质的传统Li-S单层软包电池（SLPC）和两个使用SIL+SSE电解质的半固态无负极Cu-Li2S单层软包电池在100% SOC下的ARC温度曲线。每个电池的Tonset（起始放热温度）用箭头标出。(b) 相同单层软包电池的升温速率曲线。每个电池的TTR（热失控触发温度）用箭头标出。水平虚线表示TTR自加热速率阈值（>1 °C min⁻¹）。
核心实测数据全部由 ES ARC 捕获：
传统 DOL:DME 液态电解液电池：热失控触发起始仅116℃；
半固态 SIL + 固态电解质电芯： Tonset高达188℃，提升 72℃；
传统电芯 231℃热失控，新型半固态电池平均失控温度 262℃，大幅拓宽高温安全窗口；
ES ARC 通过标准 HWS（加热-等待-搜寻）模式，全程绝热零热损失，同步记录温度、温升速率、时间三维数据，清晰区分电解液、固态电解质、锂沉积带来的放热差异，直观证明低可燃性 SIL 电解液 + 无负极设计双重安全增益。
关键温度定义
1. 热失控起始温度Tonset：电池自放热反应速率突破0.02 ℃/min阈值对应的温度；
2. 热失控温度Ttr（锂硫体系专用定义）：电池自放热速率达到1 ℃/min时的温度。
分析与展望
无负极半固态电池锂硫热安全性能优于传统锂硫电池，核心原因主要包含两点：
1. 溶剂化离子液体（SIL）的阻燃性、热稳定性远优于传统DOL/DME液态电解液，不易受热燃烧、分解；
2. 无负极结构摒弃了传统金属锂箔负极，大幅减少电池内部高活性金属锂含量，从根源降低热失控风险。
/ 为什么电池研发，统一选用 ES ARC？/
作为 THT 旗舰小型绝热量热设备，ES ARC 是高校、车企、材料企业研发实验室标配，适配扣式、小软包、圆柱电芯、电解液、固态电解质粉体全品类试样，匹配本次 GM 硫化锂固态电池研究场景，核心硬核优势：
Phi 因子≤1.05，腔体实时同步追踪样品温度，近乎零热散失，模拟电池内部热量无法散出的绝热场景，区别于 DSC、TG 非绝热测试，数据可直接对标整车高温滥用、热蔓延真实工况。
检测灵敏度为 0.005℃/min，提前捕捉 SEI 膜分解、微量多硫化物副反应、锂枝晶初期放热，在热失控萌芽阶段锁定风险点，本次实验精准区分 116℃/188℃微小自产热起始差异。
兼容锂硫、固态硫化物电解质、无负极、金属锂、钠离子、高镍三元等前沿体系；
支持针刺、挤压、过充、短路、高温热滥用多类绝热测试；
可联动电池测试仪，同步采集电压、容量、热数据，实现电化学-热耦合分析；
配套压力采集模块，同步监测热失控产气、鼓胀风险，对应文献中电解液产气、电芯膨胀问题研究。
THT ES-ARC 加速量热仪是动力电池热安全评价黄金标准，可精准捕捉电芯微弱自放热信号、量化热失控关键温度，适配锂硫、固态电池、三元、磷酸铁锂全体系电芯安全测评。
若您正在开展新型电池电解液、负极体系、固态电解质研发，可通过绝热量热测试快速量化热稳定性差异，为材料筛选、方案迭代提供可靠数据支撑。
THT 公司是设计、制造和供应用于工艺开发、优化和安全性测试的专业量热仪的全球供应商。总部位于英国，在美国和印度均设有办事处。
THT仪器的应用范围很广。目前用于全球 600 多家制药和化工公司、锂电制造商、政府实验室和高校。
欧美大地仪器设备有限公司是中国工程测试仪器设备整体解决方案提供者，在全国 10 多个城市设有分公司。
作为 THT 的代理，欧美大地将负责 THT 所有产品的销售、维修和保养、技术支持和售后服务。我们为客户提供：
全系列产品：
覆盖 THT 全产品线，满足从材料-电芯-系统级的全链条热安全测试需求。
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高效售后服务：
全国 10 + 分支机构、常备备件库与 48 小时快速响应机制。
