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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(jie)紹了絕(jue)(jue)熱(re)量(liang)熱(re)技術、儀器的(de)(de)(de)工作原(yuan)理以及在電池熱(re)安全測試中的(de)(de)(de)優勢,并結合相(xiang)關應(ying)用案例(li)及方法,介(jie)紹絕(jue)(jue)熱(re)量(liang)熱(re)儀對電池多維度安全評估(gu)的(de)(de)(de)作用。

引言

絕熱(re)(re)加速量熱(re)(re)儀(yi)(ARC)是一種(zhong)用于評估(gu)(gu)物(wu)質(zhi)熱(re)(re)分(fen)解(jie)特性(xing)及(ji)危險(xian)性(xing)的典型(xing)熱(re)(re)分(fen)析儀(yi)器。ARC通過對絕熱(re)(re)條(tiao)件下(xia)物(wu)質(zhi)化(hua)學反(fan)應(ying)的時間-溫度-壓(ya)力等(deng)(deng)數據的測(ce)試(shi),評估(gu)(gu)其(qi)初始反(fan)應(ying)溫度、熱(re)(re)失控(kong)(kong)溫度、破(po)壞(huai)效應(ying)及(ji)反(fan)應(ying)歷程等(deng)(deng),為(wei)研究物(wu)質(zhi)的熱(re)(re)分(fen)解(jie)、失控(kong)(kong)反(fan)應(ying)機理提供數據,為(wei)工藝安全生產、產品安全評估(gu)(gu)等(deng)(deng)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(ke)以給鋰離(li)子(zi)電(dian)(dian)(dian)池(chi)及(ji)相關材(cai)料的(de)安全(quan)性(xing)測(ce)試(shi)(shi)提供(gong)一個良好的(de)絕熱(re)(re)環境,精確得描述其(qi)熱(re)(re)分解及(ji)熱(re)(re)失控等反應(ying)歷程。相比于差(cha)示(shi)掃(sao)描量熱(re)(re)法(fa)(DSC)、差(cha)熱(re)(re)分析(xi)(xi)法(fa)(DTA)及(ji)熱(re)(re)重(zhong)分析(xi)(xi)法(fa)(TG)等傳統熱(re)(re)分析(xi)(xi)測(ce)試(shi)(shi)方法(fa),ARC在鋰離(li)子(zi)電(dian)(dian)(dian)池(chi)測(ce)試(shi)(shi)領域具有(you)以下優勢(shi):①檢(jian)測(ce)靈(ling)敏度高(gao)(0.005℃/min~0.02℃/min);②測(ce)樣靈(ling)活,不同規格(ge)(ge)大小的(de)ARC可(ke)以兼容電(dian)(dian)(dian)池(chi)材(cai)料以及(ji)各(ge)種規格(ge)(ge)大小的(de)電(dian)(dian)(dian)池(chi)、電(dian)(dian)(dian)芯及(ji)模(mo)組的(de)測(ce)試(shi)(shi);③能(neng)同步獲得溫度、壓力隨時間(jian)變化的(de)動態數(shu)(shu)據(ju)曲線,并可(ke)通(tong)過數(shu)(shu)據(ju)分析(xi)(xi),得到初始分解溫度、放熱(re)(re)速率、反應(ying)熱(re)(re)、活化能(neng)和壓升速率等多(duo)(duo)組熱(re)(re)特性(xing)參數(shu)(shu),精準得描述試(shi)(shi)樣熱(re)(re)反應(ying)歷程;④功(gong)能(neng)拓展,可(ke)搭配多(duo)(duo)功(gong)能(neng)測(ce)試(shi)(shi)模(mo)塊,實(shi)現電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)電(dian)(dian)(dian)濫(lan)用測(ce)試(shi)(shi)、機械濫(lan)用測(ce)試(shi)(shi)、產(chan)氣檢(jian)測(ce)分析(xi)(xi)、充放電(dian)(dian)(dian)產(chan)熱(re)(re)測(ce)試(shi)(shi)及(ji)比熱(re)(re)容測(ce)試(shi)(shi)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(shi)樣在實(shi)驗(yan)(yan)過程中在相對絕熱(re)(re)(re)的(de)環境中檢(jian)測出(chu)其初(chu)始反應溫度,使用“HWS”的(de)升溫程序(xu),即(ji)“加熱(re)(re)(re)-等待-搜尋”的(de)臺階升溫模式,如圖2所示。“HWS”模式可以保證(zheng)每個臺階的(de)最后階段(duan)均給樣品(pin)提供較好的(de)絕熱(re)(re)(re)環境,因此(ci)當“搜尋”出(chu)的(de)試(shi)樣溫升速率超過一定閾值后,實(shi)驗(yan)(yan)就會(hui)(hui)進入絕熱(re)(re)(re)追蹤階段(duan),該(gai)階段(duan)內爐體溫度會(hui)(hui)隨樣品(pin)溫度的(de)變化(hua)而即(ji)時調整(zheng),確保試(shi)樣始終處于動態熱(re)(re)(re)封閉狀態。

1 經典絕熱模型