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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(shù)據(jù)

更新時間:2023-03-31  |  點擊率:1294

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(shù)作為電池熱管理系統(tǒng)的設計輸入,實現(xiàn)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(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(shù)。
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(shù)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(shù)據(jù)。




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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(shù)據(jù)

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。


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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(shù)據(jù),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(shù)設置
1) 實驗溫度區(qū)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(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(shù)有利于提高校準精度;
3) 根據(jù)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)。



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圖3 “溫差基線"模式參數(shù)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(jù)
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Tonset點判定,出現(xiàn)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(fā)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。


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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



4. 電池熱失控實驗的操作要點
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) 試樣安裝
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。




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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(xiàn)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(shù)據(jù)曲線畸變、實驗提前終止等異?,F(xiàn)象。


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圖6  熱電偶未固定導致的實驗異?!獰o法有效檢出Tmax



(2) 測試結果有效性判定
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(wěn)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;
3) 只存在一個Tonset溫度。
圖7b出現(xiàn)2個Tonset,上述現(xiàn)象有一定概率會發(fā)生,可能與SEI膜分解和再生的動態(tài)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(guī)波動,可能出現(xiàn)多次檢出Tonset的反常結果。



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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


總結



在理解測試原理基礎上建立實驗操作規(guī)范,是確保實驗成功率與數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)真實促進鋰電池安全管理技術。

仰儀科技
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