【摘要】 通过ARC测试得到的热失控特征温度和热失控热量数据，可以为电池设计、安全措施和风险评估提供有价值的信息。

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热失控热量测试是通过ARC测试来评估电池在热失控过程中释放的热量。ARC测试能够模拟电池在实际使用中的绝热条件，通过内置热电偶技术，测得电池内部中心的热失控特征温度，进而计算热失控的总能量。这种方法能够有效减少随机性现象对评价结果的影响，为电池安全性的定量对比提供了可能。

在测试过程中，需要按照标准规定的步骤进行操作，包括样品准备、实验参数设置等。样品准备涉及电池表面处理、SOC（荷电状态）调整、信息记录等步骤。实验参数设置包括实验温度区间、台阶升温步长、恒温时间等参数的确定。这些步骤的正确操作对于获得准确可靠的测试结果至关重要。

通过ARC测试得到的热失控特征温度和热失控热量数据，可以为电池设计、安全措施和风险评估提供有价值的信息。例如，可以根据测试数据优化电池材料和结构设计，提高电池的热稳定性和安全性；可以制定更合理的安全策略和应急措施，减少热失控事件对人员和财产的损失；还可以为电池系统的热管理设计提供重要参考，确保电池系统在各种工况下都能保持稳定的性能。

 

测试概念

热失控指的由各种诱因引发的链式反应现象，导致电池在短时间内散发出的大量热量和有害气体，严重时甚至会引起电池着火和爆炸。

 

热失控发生因素-图片源自网络

 

电池热失控往往从电池电芯内的负极SEI膜分解开始，继而隔膜分解熔化，导致负极与电解液发生发应，随之正极和电解质都会发生分解，从而引发大规模的内短路，造成了电解液燃烧，进而蔓延到其他电芯，造成了严重的热失控，让整个电池组产生自燃。

 

测试原理

ARC的测试模式主要有加热-等待-搜寻( H-W-S) 和等温( ISO) 两种。在H-W-S模式下,样品首先被加热至设定的起始温度,保温一段时间,使试样和绝热炉体间达到热平衡。然后进入搜寻阶段,如果温升速率没有超过设定阈值 ,仪器则会以设定的幅度升温,开始另一轮的“加热-等待-搜寻”,直到温升速率高于设定阈值。

然后,仪器自动进入“热跟踪”模式,保持绝热状态直至过程结束,软件记录过程温度和压力变化。ISO模式用于在恒定温度条件下,检测样品的自放热情况。当温度变化超过设定测试灵敏度时,仪器自动进入“热跟踪”模式,保持绝热状态直至过程结束,同时记录过程温度和压力变化。ARC的等温模式适合研究具有自催化特性及含微量杂质的化合物分解反应。

ARC运行一次能够得到如下数据曲线: 时间-温度/ 压力曲线、温升速率-时间曲线、温升速率-温度曲线、压力-温度曲线、压变速率-温度曲线和温升速率-压变速率曲线等。从曲线中可直接读取起始分解温度、终止分解温度、最大分解速率及其对应温度、起始分解压力、终止分解压力,最大压变速率、压变加速度等,经过简单计算可得到绝热温升和反应放热量。

 

测试资料

GB/T 36276-2018

DB34/T 3377-2019

ARC除了能对电池组件材料进行热特性分析外, 还能对不同型号、尺寸大小及用途的锂离子电池如:18650、AA、3/4A、纽扣、圆柱形、方形、军用电池、空间电源及动力电池等进行热特性分析。ARC是一种具有灵敏度高、热惰性小及测试样品量大等优点的热分析方法，不仅能应用于对锂离子电池组成材料热安全性的研究，还能对整个锂离子电池进行热特性测试分析通过ARC可以对正极材料的热反应温度、放热量等进行测试, 分析导致锂离子电池热失控的原因。有研究显示, 在对比用ARC和DSC测试电池所生成的热量后发现, 电池的热失控接近于含有电解液的正极材料的分解温度范围。

由此可以推测, 锂离子电池在加热和滥用条件下发生的热失控是由于正极材料的分解和电解质反应放出的热量导致。ARC可以对锂离子电池材料进行动力学研究, 并且可以评估各种电极材料的热稳定性。应用ARC能够研究锂容量、电极类型、电极表面积以及初始加热温度对热稳定性方面的影响。

ARC能用来检测电池在使用过程中的充放电、滥用以及短路和高温下的热分解, 利用这些数据可以来量化电池的储存、放置和使用等条件下的热稳定特性ARC除了能直接对锂离子电池的热稳定性测试, 得到热失控温度外, 还可以结合充放电设备测试在充放电循环下电池的热性能以及模拟电池在滥用条件下如:短路、过充、针刺等情况下电池的热特性。

 

结果分析

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获取电池单体ARC测试的热失控特征温度和热失控总放热量。

T1 为电池单体内置热电偶的自产热起始温度，通过内置热电偶温度最后一个台阶的稳定温度来确定；T1’为 ARC 主热电偶采集到的自产热起始温度，通过主热电偶温度最后一个台阶的稳定温度来确定。2.T2为电池单体内置热电偶的热失控温度，定义为内置热电偶温升速率连续大于等于1℃/s时的温度；T2’为 ARC 主热电偶采集到的热失控温度，定义为主热电偶温升速率连续大于等于1℃/s 时的温度。

注:内置热电偶的采样频率为0.1 S一个温度点，连续10个点的主热电偶温升速率大于或等于0.1 ℃/0.1s，则定义第5个采样点的温度为内置热电偶的热失控温度T2:对于采样频率不足0.1 s的主热电偶温度，连续多个采样点主热电偶的温升速率大于或等于1C/s，且多个采样点的总时长大于3 s，则中间位置采样点的温度定义为主热电偶的热失挖温度T2'3.T3 为电池单体热失控过程内置热电偶记录的最高温度:T3’为 ARC 主热电偶记录的最高温度。

热失控放热总能量由绝热条件下放热量按照公式计算。

 

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一个满充状态下的18650电池,最先开始自放热的是SEI膜;然后是正极与电解液发生了放热反应, 在123℃左右, 自放热速率有所降低是由于隔膜材料熔化吸热所致;之后, 负极材料与电解液反应放热, 在200℃时, 电池彻底热失控, 爆破分解。

 

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聚合物锂离子电池组以约3.5C (15A) 在BTC中进行充放电循环测试的实验结果

 

分析测试实验室

 

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