為了確保鋰離子電池的安全使用，需要獲取電池熱失控特征參數作為電池熱管理系統的設計輸入，實現對電池熱失控的預防與早期預警。目前，行業內對鋰電池熱失控的測試主要依托于電池絕熱量熱儀（ARC）。該儀器能夠測定電池自放熱絕熱溫升曲線，并得到電池自放熱起始溫度（Tonset）、熱失控起始溫度（TTR）、最高溫度（Tmax）、泄壓溫度（TV）、最大溫升速率（(dT/dt)max）和最大壓升速率(（dP/dt)max)等特征參數。鋰電池熱失控絕熱量熱測試方法目前尚未形成統一的技術標準或規范，國內外各儀器廠商推薦的測試流程大致相同，但實驗具體執行過程中的樣品準備、參數選取和操作規范性等因素均會對測試結果造成一定影響。本文以杭州仰儀科技有限公司的BAC-420A大型電池絕熱量熱儀為例，從電池熱失控實驗的主要操作流程入手，簡要說明各個步驟的操作要點和合格性判定方法，保障用戶最終獲取有效的實驗數據。
圖1 (a)BAC-420A大型電池絕熱量熱儀與(b)電池絕熱熱失控典型數據
電池熱失控絕熱測試關鍵步驟如下圖所示，準確可靠的測試結果建立在每個步驟的正確操作基礎上。
進行包括電池表面處理、SOC調整、信息記錄在內準備工作。該步驟的實驗要點如下：(1) 電池表面處理：表面充分進行清理；同時對于硬殼電池，可撕除表面導熱性不佳的PET藍膜，熱電偶可與電池表面更緊密貼合；(2) 電池按規定的方法進行活化以及SOC控制，充放電過程防止虛接或短路；(3) 登記包括電池質量和電壓在內的基礎數據，并留存圖像資料。
2. 溫差基線校準
由于量熱腔內可能存在微小的溫度分布，為防止絕熱追蹤階段量熱腔壁面對樣品產生過加熱或欠加熱，確保腔內精密的絕熱環境，需利用與電池同尺寸的鋁質標準塊作為電池等容物，利用儀器的“溫差基線"模式對爐壁-樣品溫差的溫度依賴性進行校準；該步驟的實驗要點如下：1) 無特殊要求情況下，樣品熱電偶均粘貼于試樣大面中心點位置；2) 利用樣品支架或懸吊的方式裝樣，鋁塊與電池樣品在爐腔中的相對位置盡量保持一致。1) 實驗溫度區間推薦覆蓋50℃~200℃，盡可能確保Tonset檢出值落在該范圍內，避免發生誤檢測；2) 臺階升溫步長控制在25℃及以下，增加恒溫臺階個數有利于提高校準精度；3) 根據鋁塊大小選擇恒溫時間，恒溫時間不足，試樣溫度無法達到平穩，將影響溫差基線校準的有效性。恒溫時間(min)一般推薦為50+40×鋁塊質量(kg)。
圖3 “溫差基線"模式參數設置界面
3. 溫差基線驗證
將溫差基線校準文件下發至軟件后臺，隨后再次利用鋁塊在“HWS"模式下進行實驗。通過溫度平衡階段鋁塊的溫升情況判斷量熱系統的絕熱特性，從而對校準文件的有效性進行驗證。該步驟的實驗要點如下：統計每個臺階達到溫度平衡階段后鋁塊的溫升速率。如圖4a所示，若各臺階的溫升速率均處于一個遠小于檢測閾值的區間內，可判定校準文件合格，說明試樣處于相對嚴格的絕熱環境中，在0.02℃/min的檢測閾值條件下可準確進行電池Tonset點判定，出現誤判或明顯偏差的可能性低。而如圖4b和圖4c所示，均為不合格的情況。圖4b鋁塊各臺階的溫升速率過大，說明壁面對試樣存在過加熱的情況，進行電池實驗時可能導致Tonset點在電池未開始自放熱階段被提前檢出。該情況下，需要通過延長恒溫時間等方式重新進行溫差基線校準；圖4c對應的樣品尺寸很小、熱慣量過低，因此爐腔內微弱的溫度場擾動導致樣品溫升速率劇烈波動，進行電池實驗時發生Tonset誤檢測概率高。上述情況建議更換適用于小電芯檢測的儀器進行測試。
圖4 校準文件(a)合格與(b,c)不合格情況下鋁塊HWS實驗結果
在完成前置實驗后，就可以在“HWS"模式下進行電池熱失控實驗。該步驟的實驗要點如下：1) 電池以及樣品熱電偶的安裝位置盡可能與溫差基線實驗保持一致；2) 附加熱電偶、導線等部件需緊密連接，防止虛接脫落；3) 注意電池安全閥不要對準傳感器和導線，防止噴閥過程造成部件損壞；4) 使用低Phi值的夾具對樣品熱電偶進行固定和壓緊。目前常用的夾具有金屬肋條（圖5a）和云母板（如圖5b)等。云母板對電池施加的應力更均勻，但導熱性較差，需要設置更長的恒溫時間使樣品溫度達到平衡。
圖5 (a) 金屬肋條和(b)云母板夾具裝樣照片
5) 若不進行熱電偶固定，測試過程中由于電池鼓包可能出現熱電偶與電池表面接觸不良、甚至提前脫落的情況，直接引起熱失控特征溫度無法有效檢測、數據曲線畸變、實驗提前終止等異常現象。
圖6 熱電偶未固定導致的實驗異常——無法有效檢出Tmax
如圖7a所示，一般來說理想的電池絕熱熱失控曲線具有如下幾種特征：1) shou臺階與前幾個臺階溫度低，電池未開始自放熱，樣品在溫度平衡后的等待-搜尋（W-S）階段升溫速率較為穩定，且均小于所設置的自放熱檢測閾值；2) 電池開始自放熱，W-S階段溫升速率逐漸上升（曲線上翹程度逐漸增大），直至達到0.02℃/min的閾值，開始進入絕熱追蹤；圖7b出現2個Tonset，上述現象有一定概率會發生，可能與SEI膜分解和再生的動態平衡有關，但更可能是校準文件不理想帶來的結果；圖7c使用圖4c的校準文件進行測試，相鄰臺階的溫升速率無規波動，可能出現多次檢出Tonset的反常結果。
圖7 (a)合理和（b,c）異常的電池絕熱熱失控曲線與臺階溫升速率變化
在理解測試原理基礎上建立實驗操作規范，是確保實驗成功率與數據質量的關鍵。仰儀科技愿與用戶共同探討和提升電池絕熱熱失控測試方法，以準確、可靠的數據真實促進鋰電池安全管理技術。
7
立即詢價
您提交后，專屬客服將第一時間為您服務