锂离子电池安全性评估ARC测试报告

  • 发布时间:2021-10-22 14:18:34,加入时间:2021年01月08日(距今1659天)
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ARC的测试原理、样品电池的测试方法、数据分析方法,并建议了安全性的评估方法。

1.ARC测试原理和方法

ARC通过精确的温度跟踪,避免被测样品与环境的热量交换,从而可以提供一个近似绝热的环境,主要对被测样品的放热行为进行测试分析。利用ARC,能够模拟电池内部热量不能及时散失时放热反应过程的热特性,使反应更接近于真实反应过程,从而获得热失控条件下表观放热反应的动力学 参数。

1.1 加速量热仪特点

由于采用热电偶进行温度采集,热量补偿采用温度跟踪模式,采用密闭腔体,因此ARC具有以下特点: 测量灵敏度高。温度测试及控制灵敏度高达0.005 ℃/ min 甚至更高); 测试灵活。不同尺寸的量热腔可以分别实现对材料、电池、模组的热特性测试,并能模拟电池内部热失控的环境,测试得到精确的热数据; 能同步获得多种数据。例如可以直观地给出温度、压力、电压、电阻随时间变化的曲线,到可靠的动态测试数据,并经过数据分析得到初始分解温度、放热速率、反应热、活化能、压力,并结合电信号对电池内发生的物理机化学反应进行推断。

1.2 加速量热仪工作原理及样品测试方法

首先将待测样品上固定好热电偶,热电偶的位置取决于测试目的。然后将待测样品放入量热腔内,量热腔做好密闭处理。之后对ARC工作站进行参数设定,包括自定义起始温度(start temperature)、升温步阶(step temperature)、等待时间(wait time)、终止温度(end temperature)等,随即即可启动测试。

ARC工作时采用“加热(heat)-等待(wait)-搜寻(seak)”模式来探测样品的放热反应,简称H-W-S模式。ARC从起始温度开始对样品进行加热,当温度升高一个步阶后,系统转入等待模式;等待模式是为了让样品、样品容器和量热腔三者达到热平衡,使系统更精确的搜寻到样品的自放热反应;等待过程结束后,系统将自动进入搜寻模式,对样品温升速率进行探测,系统自设灵敏度为0.02 ℃/min,如果搜寻到样品的升温速率大于0.02 ℃/min,那么系统判定样品出现自放热,进入绝热模式,记录自放热速率(self-heating rate,SHR),并始终保持量热仪的温度与样品温度同步,避免样品热散失,提供绝热环境,追踪样品的放热反应。此时样品温度的升降只与自身的反应有关。如果升温速率小于0.02 ℃/min,那么ARC将以设定升温步阶继续对样品加热,运行H-W-S模式,直到在某个温度下出现自放热的情况或加热达到终止温度。

2 测试方法及步骤

2.1 材料热失控测试

使用ARC可以实现对电极材料、电解液等的热稳定性能测试。测试方法如下。

选择洁净的样品球(或管)称量其质量。称取一定量的被测样品(空气或水分敏感材料需要在惰性气氛手套箱内完成)于样品球(或管)中,将样品球(或管)安装于量热腔中,测温热电偶固定于样品球(或管)外表面,如需同步监测压力,将压力传感器安装于样品球(或管)的进样口即可

检查连接线路无误后,启动测试软件,设置起始温度、升温步阶(建议5 ℃)、等待时间(建议15~30 min)、终止温度等,开始测试,直至达到测试终止温度,设备开启降温模式,待温度降到室温,测试完成。

2.2 电池热失控测试

使用ARC可以实现对电池的热稳定性能测试。其工作原理同2.1材料热失控测试,但操作更为简单:通过夹具将电池固定在量热腔内部,测温热电偶固定于电池表面,可如图3所示。可以通过电压采集设备同步监测电池开路电压变化。

检查连接线路无误后,启动测试软件,设置起始温度、升温步阶(建议5 ℃)、等待时间(30~60 min)、终止温度等,开始测试,直至达到测试终止温度,设备开启降温模式,待温度降到室温,测试完成。

对方形电池(软包或金属壳)常用的打包方式。选取和电池面尺寸接近的加热片,将加热片用导热性能良好的铝箔胶带粘贴到两块电池的中间组成“三明治”结构的“电池包”,然后将“电池包”悬置到量热腔中(可采用悬挂或支架的方式),在电池外表面黏贴热电偶,以监测实验过程中电池温度变化。

圆柱形电池(如18650电池)的常用打包方式。选取合适尺寸的加热片,将加热片粘贴到“电池包”之间,测试过程中监控电池外表面温度变化。

将“电池包”放置于量热腔中的支架上,检查好线路连接无误后,启动加速量热仪。经过较长时间的温度均衡,待电池与量热腔的温度均达到起始温度附近,且温度保持一致(一般要求电池和腔体环境温差不超过0.2 ℃),将加速量热仪切换到“Exotherm模式”,开启直流恒流源,通过调节加热功率,使得电池温升速率在0.1~0.2 ℃/min并保持不变,直至达到测试终止温度。

对于自带“CPU模块”(比热容测试模块)的加速量热仪,可以通过“CPU模块”实现自动加热功率的调节,操作比较简单,不赘述。

2.4 电池充放电产热特性测试

加速量

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