絕熱量熱技術在電池熱安全測試中的應用

  • 發布時間:2023-08-17
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摘要

本文介紹了絕熱量熱技術、儀器的工作原理以及在電池熱安全測試中的優勢,并結合相關應用案例及方法,介紹絕熱量熱儀對電池多維度安全評估的作用。

引言

絕熱加速量熱儀(ARC)是一種用于評估物質熱分解特性及危險性的典型熱分析儀器。ARC通過對絕熱條件下物質化學反應的時間-溫度-壓力等數據的測試,評估其初始反應溫度、熱失控溫度、破壞效應及反應歷程等,為研究物質的熱分解、失控反應機理提供數據,為工藝安全生產、產品安全評估等提供支持。

1990年,Moli能源公司的科研學者率先將ARC應用于研究鋰離子電池電極材料在電解液中的熱穩定性,隨后ARC所具有的優點使其逐漸成為世界上鋰離子電池生產廠家和研究者進行安全性測試和熱穩定性研究的主要儀器。使用ARC既可以對鋰離子電池整體進行熱測試,來評估電池在生產、運輸、存儲和使用等場景下的安全性能,也可以測試鋰離子電池內部各組分的熱分解過程,并通過材料的反應機理研究電池發生熱失控的根本原因。
ARC可以給鋰離子電池及相關材料的安全性測試提供一個良好的絕熱環境,精確得描述其熱分解及熱失控等反應歷程。相比于差示掃描量熱法(DSC)、差熱分析法(DTA)及熱重分析法(TG)等傳統熱分析測試方法,ARC在鋰離子電池測試領域具有以下優勢:①檢測靈敏度高(0.005℃/min~0.02℃/min);②測樣靈活,不同規格大小的ARC可以兼容電池材料以及各種規格大小的電池、電芯及模組的測試;③能同步獲得溫度、壓力隨時間變化的動態數據曲線,并可通過數據分析,得到初始分解溫度、放熱速率、反應熱、活化能和壓升速率等多組熱特性參數,精準得描述試樣熱反應歷程;④功能拓展,可搭配多功能測試模塊,實現電池的電濫用測試、機械濫用測試、產氣檢測分析、充放電產熱測試及比熱容測試等。

工作原理

絕熱量熱技術和絕熱量熱儀最初是由美國標準ASTM E-1981進行定義的,其原理模型如圖1所示。根據標準,在絕熱量熱實驗中,試樣處于一個可以進行環抱式加熱的爐體中央,爐體通過自然對流和熱傳導等方式對樣品周圍的環境溫度進行控制,試樣溫度與所處環境溫度始終相同,試樣處于動態熱封閉狀態,熱量無法傳入與傳出,樣品溫度完全由其自身的吸放熱過程決定。
為了能夠使試樣在實驗過程中在相對絕熱的環境中檢測出其初始反應溫度,使用“HWS”的升溫程序,即“加熱-等待-搜尋”的臺階升溫模式,如圖2所示?!癏WS”模式可以保證每個臺階的最后階段均給樣品提供較好的絕熱環境,因此當“搜尋”出的試樣溫升速率超過一定閾值后,實驗就會進入絕熱追蹤階段,該階段內爐體溫度會隨樣品溫度的變化而即時調整,確保試樣始終處于動態熱封閉狀態。

1 經典絕熱模型