怎样利用电池绝热量热仪获取有效的锂电池热失控测试数据

  • 发布时间:2023-03-16
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前言

为了确保锂离子电池的安全使用,需要获取电池热失控特征参数作为电池热管理系统的设计输入,实现对电池热失控的预防与早期预警。目前,行业内对锂电池热失控的测试主要依托于电池绝热量热仪(ARC)。该仪器能够测定电池自放热绝热温升曲线,并得到电池自放热起始温度(Tonset)、热失控起始温度(TTR)、最高温度(Tmax)、泄压温度(TV)、最大温升速率((dT/dt)max)和最大压升速率((dP/dt)max)等特征参数。锂电池热失控绝热量热测试方法目前尚未形成统一的技术标准或规范,国内外各仪器厂商推荐的测试流程大致相同,但实验具体执行过程中的样品准备、参数选取和操作规范性等因素均会对测试结果造成一定影响。本文以杭州仰仪科技有限公司的BAC-420A大型电池绝热量热仪为例,从电池热失控实验的主要操作流程入手,简要说明各个步骤的操作要点和合格性判定方法,保障用户最终获取有效的实验数据。

图1  (a)BAC-420A大型电池绝热量热仪与(b)电池绝热热失控典型数据

测试流程

图2 电池热失控测试关键步骤


操作要点

1. 样品准备

进行包括电池表面处理、SOC调整、信息记录在内准备工作。该步骤的实验要点如下:

(1) 电池表面处理:表面充分进行清理;同时对于硬壳电池,可撕除表面导热性不佳的PET蓝膜,热电偶可与电池表面更紧密贴合;

(2) 电池按规定的方法进行活化以及SOC控制,充放电过程防止虚接或短路;

(3) 登记包括电池质量和电压在内的基础数据,并留存图像资料。

2. 温差基线校准
由于量热腔内可能存在微小的温度分布,为防止绝热追踪阶段量热腔壁面对样品产生过加热或欠加热,确保腔内精密的绝热环境,需利用与电池同尺寸的铝质标准块作为电池等容物,利用仪器的“温差基线”模式对炉壁-样品温差的温度依赖性进行校准;该步骤的实验要点如下:

(1) 试样安装

1) 无特殊要求情况下,样品热电偶均粘贴于试样大面中心点位置;

2) 利用样品支架或悬吊的方式装样,铝块与电池样品在炉腔中的相对位置尽量保持一致。

(2)实验参数设置

1) 实验温度区间推荐覆盖50℃~200℃,尽可能确保Tonset检出值落在该范围内,避免发生误检测;

2) 台阶升温步长控制在25℃及以下,增加恒温台阶个数有利于提高校准精度;

3) 根据铝块大小选择恒温时间,恒温时间不足,试样温度无法达到平稳,将影响温差基线校准的有效性。恒温时间(min)一般推荐为50+40×铝块质量(kg)。

图3 “温差基线”模式参数设置界面

3. 温差基线验证

将温差基线校准文件下发至软件后台,随后再次利用铝块在“HWS”模式下进行实验。通过温度平衡阶段铝块的温升情况判断量热系统的绝热特性,从而对校准文件的有效性进行验证。该步骤的实验要点如下:

(1) 校准文件合格性判据统计每个台阶达到温度平衡阶段后铝块的温升速率。如图4a所示,若各台阶的温升速率均处于一个远小于检测阈值的区间内,可判定校准文件合格,说明试样处于相对严格的绝热环境中,在0.02℃/min的检测阈值条件下可准确进行电池Tonset点判定,出现误判或明显偏差的可能性低。而如图4b和图4c所示,均为不合格的情况。图4b铝块各台阶的温升速率过大,说明壁面对试样存在过加热的情况,进行电池实验时可能导致Tonset点在电池未开始自放热阶段被提前检出。该情况下,需要通过延长恒温时间等方式重新进行温差基线校准;图4c对应的样品尺寸很小、热惯量过低,因此炉腔内微弱的温度场扰动导致样品温升速率剧烈波动,进行电池实验时发生Tonset误检测概率高。上述情况建议更换适用于小电芯检测的仪器进行测试。