怎樣利用電池絕熱量熱儀獲取有效的鋰電池熱失控測試數據

更新時間：2023-03-31 | 點擊率：2212

前言

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(tǒng)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(yè)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（T_onset）、熱失控起始溫度（T_TR）、最高溫度（T_max）、泄壓溫度（T_V）、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(tǒng)一的技術標準或規(guī)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(zhí)行過程中的樣品準備、參數選取和操作規(guī)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

測試流程

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。

圖2 電池熱失控測試關鍵步驟

操作要點

1. 樣品準備

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(guī)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(huán)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) 試樣安裝

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。

(2)實驗參數設置

1) 實驗溫度區(qū)間推薦覆蓋50℃~200℃，盡可能確保T_onset檢出值落在該范圍內，避免發(fā)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(wěn)，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(fā)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(tǒng)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：

(1) 校準文件合格性判據

統(tǒng)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(qū)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(huán)境中，在0.02℃/min的檢測閾值條件下可準確進行電池T_onset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T_onset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(fā)生T_onset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。