運用新技術評估鈕扣電池的安全性與熱穩定性
Coin Cell DSC 如何在不拆解（鈕扣電池）的情況下協助進行全電池熱穩定性測試
Morgan Ulrich | Hang Lau
2026 年 6 月 16 日
測量電池的熱穩定性
熱穩定性係指材料在受熱時抵抗劣化的能力。對電池開發人員而言，幸運的是，材料科學領域已有一項成熟技術可用於測量熱流：差示掃描量熱法 (DSC)。自 1970 年代以來，Waters 材料科學部門的 DSC 儀器已廣泛應用於聚合物、製藥及其他材料科學研究。
電池研究人員與開發人員會使用 DSC 研究電池材料的熱穩定性與分解情形，但傳統 DSC 並非專為電池測試而設計。目前的工作流程需要拆解電池單體，才能使用 DSC 測試個別材料。然而，分別測試各種材料，可能無法完整呈現其熱穩定性或材料之間交互反應的全貌。完整電池單體的安全性測試要到開發後期才會進行，因此往往導致成本高昂且耗時的修正作業。
電池安全性測試的突破性解決方案
Waters TA Instruments™ 鈕扣電池差示掃描量熱儀可讓電池研究人員與開發人員在無需拆解電池的情況下，直接評估完整鈕扣電池的安全性與效能。如此一來，即可在開發早期進行完整電池單體測試。這些測試能辨識可能導致自發熱或熱失控的反應，藉此為電池開發提供指引。隨後，開發人員可將這些資料與後期安全性測試建立關聯，全面掌握電池穩定性。
電池可能因溫度變化或過度充電／過度放電而劣化，因此 Coin Cell DSC 旨在偵測反應的觸發條件，並記錄隨之發生的熱事件。其專為鈕扣電池設計的膠囊，可在整個溫度範圍內擷取完整的熱流訊號，揭示溫度變化如何引發電池內部反應。整合式導線連接可在電池發生熱失效時監測電壓，讓開發人員能夠建立熱相關反應變化與電化學資料之間的關聯性。
以下實驗顯示 Coin Cell DSC 可取得的關鍵電池安全性測量結果。
熱失控起始溫度
當臨界高溫觸發放熱反應，進而導致溫度持續升高時，即會發生熱失控現象。辨識起始溫度及其後續反應，對於預測電池單體失效並設計更安全的電池極為重要。
以下範例為將一顆 NMC 鈕扣電池升溫至 600 °C 的反應四階段：
- 不可逆電池分解的起始溫度
- 隔離膜熔融與鈕扣電池墊片熔融使氣體排出，可進行逸出氣體分析
- 電解液與活性材料的熱分解及交互反應
- 墊片熱降解，以及其與活性材料在高溫下發生的反應
Coin Cell DSC 的高靈敏度感測器可對完整鈕扣電池進行此升溫測試。這項技術可提供更準確的起始溫度分析，同時支援複雜反應機制的特性分析。
電池短路分析
精確辨識電池何時短路並喪失功能，對工程與設計至關重要。電壓監測可測量電池的荷電狀態，並在發生內部短路或電壓下降時偵測電化學訊號，藉此與造成這些變化的反應相互對照。
下圖為發生短路的時間點。電壓急遽下降即表示發生短路，隨後電池單體完全失效，電壓降至 0 V。準確判定電池發生短路的時間點，可協助電池開發人員判斷其設計在一般使用條件下是否安全，或是否需要重新設計，以承受更高溫度。內嵌圖顯示反應熱流約在 119 °C 出現，導致電壓在 130 °C 時下降，顯示早期劣化跡象。
電池安全性測試的靈活應用
除了上述的辨識短路及熱失控起始溫度外，當電池的安全相關條件超出閾值，電池開發人員亦需瞭解其中的反應及逸出氣體組成。逸出氣體分析可揭示反應期間釋放的氣體，例如二氧化碳、氧氣、碳氫化合物及其他分解產物。辨識這些氣體對於判斷電池失效是否會造成更嚴重的安全與火災風險至關重要。
最後，所有資料的價值，終究取決於開發人員分析資料的能力。Coin Cell DSC 的 TRIOS 軟體在儀器控制、資料分析與報告產出方面擁有卓越的使用者體驗。內建範本有助於執行常見的鈕扣電池安全性測試方法。TRIOS 軟體還能有效整合不同測試模式產生的資料，包括電壓監測、逸出氣體分析及熱流測量。
若要深入瞭解 Coin Cell DSC 並取得更多資訊，請聯絡 Waters 材料科學部門的電池專家。
