绝热量热技术在电池热安全测试中的应用

  • 更新时间:2023-08-17
  • 浏览量 :
  • 分享:

摘要

本文介绍了绝热量热技术、仪器的工作原理以及在电池热安全测试中的优势,并结合相关应用案例及方法,介绍绝热量热仪对电池多维度安全评估的作用。

引言

绝热加速量热仪(ARC)是一种用于评估物质热分解特性及危险性的典型热分析仪器。ARC通过对绝热条件下物质化学反应的时间-温度-压力等数据的测试,评估其初始反应温度、热失控温度、破坏效应及反应历程等,为研究物质的热分解、失控反应机理提供数据,为工艺安全生产、产品安全评估等提供支持。

1990年,Moli能源公司的科研学者率先将ARC应用于研究锂离子电池电极材料在电解液中的热稳定性,随后ARC所具有的优点使其逐渐成为世界上锂离子电池生产厂家和研究者进行安全性测试和热稳定性研究的主要仪器。使用ARC既可以对锂离子电池整体进行热测试,来评估电池在生产、运输、存储和使用等场景下的安全性能,也可以测试锂离子电池内部各组分的热分解过程,并通过材料的反应机理研究电池发生热失控的根本原因。
ARC可以给锂离子电池及相关材料的安全性测试提供一个良好的绝热环境,精确得描述其热分解及热失控等反应历程。相比于差示扫描量热法(DSC)、差热分析法(DTA)及热重分析法(TG)等传统热分析测试方法,ARC在锂离子电池测试领域具有以下优势:①检测灵敏度高(0.005℃/min~0.02℃/min);②测样灵活,不同规格大小的ARC可以兼容电池材料以及各种规格大小的电池、电芯及模组的测试;③能同步获得温度、压力随时间变化的动态数据曲线,并可通过数据分析,得到初始分解温度、放热速率、反应热、活化能和压升速率等多组热特性参数,精准得描述试样热反应历程;④功能拓展,可搭配多功能测试模块,实现电池的电滥用测试、机械滥用测试、产气检测分析、充放电产热测试及比热容测试等。

工作原理

绝热量热技术和绝热量热仪最初是由美国标准ASTM E-1981进行定义的,其原理模型如图1所示。根据标准,在绝热量热实验中,试样处于一个可以进行环抱式加热的炉体中央,炉体通过自然对流和热传导等方式对样品周围的环境温度进行控制,试样温度与所处环境温度始终相同,试样处于动态热封闭状态,热量无法传入与传出,样品温度完全由其自身的吸放热过程决定。
为了能够使试样在实验过程中在相对绝热的环境中检测出其初始反应温度,使用“HWS”的升温程序,即“加热-等待-搜寻”的台阶升温模式,如图2所示。“HWS”模式可以保证每个台阶的最后阶段均给样品提供较好的绝热环境,因此当“搜寻”出的试样温升速率超过一定阈值后,实验就会进入绝热追踪阶段,该阶段内炉体温度会随样品温度的变化而即时调整,确保试样始终处于动态热封闭状态。

1 经典绝热模型