電池技術(shù)測試

英國HEL電池量熱儀

優(yōu)化管理，降低風(fēng)險

特別為測試各種規(guī)格的電池包括大電池，及電池材料、組件的安全性而設(shè)計的熱安全性測試儀器BTC 絕熱加速量熱儀。

BTC是傳統(tǒng)'ARC'絕熱量熱儀的升級改進(jìn)版儀器，是為日趨重要的能源儲存領(lǐng)域特別設(shè)計的適用性更強(qiáng)、更先進(jìn)的危害評估工具。
提供絕熱量熱模式和等溫量熱模式兩種可選，可選擇不同的設(shè)備，或在一臺設(shè)備中實現(xiàn)兩種功能模式。

• BTC-500|大尺寸，大容量，高活性體系，電池?zé)嵝阅芗鞍踩阅軠y試，絕熱量熱儀

• BTC-30|臺式、小尺寸電池、小容量電池，材料級別，電池?zé)嵝阅芗鞍踩阅軠y試，絕熱量熱儀

• iso-BTC plus| 落地式，大功率，大尺寸，電池?zé)嵝阅軠y試，等溫量熱儀

• iso-BTC| 臺式，較小熱功率，較小電池，電池?zé)嵝阅軠y試，等溫量熱儀

• BTC-MS電池絕熱量熱儀與高壓質(zhì)譜聯(lián)用

詳情介紹

BTC-500 | 大尺寸，大容量，高活性體系，電池?zé)嵝阅芗鞍踩阅軠y試，絕熱量熱儀

BTC-500 (電池測試量熱儀) 是一種落地式絕熱量熱儀，針對尺寸較大、容量較大及反應(yīng)較劇烈的電池單體和小型模組，可實現(xiàn)鋰離子電池在耦合或解耦熱應(yīng)力、電應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力 (濫用)情況下的熱安全測試。對電池單體和小型模組進(jìn)行相關(guān)測試，有助于評估電池單體及小型模組的安全性能，定義電池的安全操作極限，并有助于研究鋰離子電池?zé)崾Э睾蜔崧訖C(jī)制，開發(fā)滿足安全需求的熱失控及熱蔓延抑制策略。

應(yīng)用領(lǐng)域

安全測試

定義安全操作限制:

• 為避免鋰離子電池?zé)崾Э仫L(fēng)險及其可能導(dǎo)致的災(zāi)難性后果，必須明確鋰離子電池單體、模組和電池包的安全運行極限。因此，需要對電池施加熱應(yīng)力、電應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，用以確定電池的安全操作極限。

• 熱穩(wěn)定性數(shù)據(jù)有助于確定電池的安全工作溫度

• 充放電溫升可幫助確定不同溫度下的最大安全電流

• 過充及過放溫升可以幫助確定不同溫度下的最高和最低安全電壓

• 可以評估不同溫度下機(jī)械應(yīng)力和外部短路 (ESC) 的后果

探索熱失控和熱蔓延

• 極端條件可能導(dǎo)致電池單體熱應(yīng)力增加，引發(fā)電池?zé)崾Э亍Ｒ虼?，為了提升電池的安全性甚至開發(fā)安全的電池，必須了解電池中熱失控的機(jī)理，以及熱失控如何在模組或電池包內(nèi)蔓延，以便實施適當(dāng)?shù)木徑夂鸵种撇呗浴Ｔ贐TC-130和BTC-500中進(jìn)行材料熱分解和電池?zé)崾Э販y試時，可同步獲取相應(yīng)的氣體壓力數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)可以用于電池?zé)崾Э匦袨榻！？梢詸z測電池內(nèi)組分分解的連續(xù)起始溫度，并估算所釋放的熱量，進(jìn)一步揭示電池內(nèi)的熱失控反應(yīng)機(jī)理。測試過程可收集電池釋放的氣體，并借助在線氣體MS或其他氣體分析設(shè)備，進(jìn)一步了解反應(yīng)歷程。
  BTC-500可以實現(xiàn)在模組內(nèi)特定位置觸發(fā)單體熱失控。例如使用針刺、加熱或其他可能引發(fā)電池短路的方式，觸發(fā)熱失控，并利用設(shè)備集成的相機(jī)全程錄像。通過設(shè)計熱失控起始位置，可評估模組的熱蔓延風(fēng)險，表征熱安全事件的危害程度，并在模組設(shè)計時，采取適當(dāng)?shù)囊种拼胧?，以實現(xiàn)模組整體的散熱大于產(chǎn)熱。

性能測試

表征電池性能的差異

• BTC-130和BTC-500可用于表征在更極端的工況條件下的電池性能。例如，通過對設(shè)備內(nèi)的電池進(jìn)行極限工況下的循環(huán)，觸發(fā)電池自產(chǎn)熱，并進(jìn)行絕熱跟蹤至電池?zé)崾Э亍Ｒ部梢远啻螛O限循環(huán)后，在設(shè)備內(nèi)進(jìn)行針刺實驗，表征電池單體的機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。上述熱失控過程都可以使用BTC-500的相機(jī)記錄。通過自定義的實驗，可以實現(xiàn)不同種類電池的安全性對比。

功能和選項

測試類型

• 熱應(yīng)力：BTC-500為經(jīng)受熱應(yīng)力的電池提供絕熱環(huán)境，從而表征電池的熱穩(wěn)定性，并提供相關(guān)熱失控的關(guān)鍵數(shù)據(jù)及圖像。

• 電應(yīng)力：BTC-500可與充放電設(shè)備集成，支持正常充放電、過充及過放測試，也可與外短路設(shè)備連接，實現(xiàn)絕熱條件下的電-熱性能評估。

• 機(jī)械應(yīng)力：BTC-500可配備針刺測試設(shè)備，并可用于表征針刺過程的熱失控。

• 自動氣體采樣，用于采氣分析。

• 在模組內(nèi)的特定位置處觸發(fā)單體熱失控。

• 集成攝像機(jī)記錄測試樣品的變化。

• 樣品的溫場分布 (多點溫度測量)。

• 集成在線高壓質(zhì)譜，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時分析。

• 可擴(kuò)展接口，實現(xiàn)功能擴(kuò)展。

• 自定義測試方法編輯。

• 高數(shù)據(jù)速率采集，高達(dá)10,000Hz的溫度及壓力數(shù)據(jù)采集，可用于表征極快的反應(yīng)，可滿足超高速采集需求

• 幫助進(jìn)一步了解熱蔓延和熱失控的其他功能包括：

電池/樣品尺寸

• 圓柱電池(18650尺寸以上)、方形電池、軟包電池和小模組。

• 量熱腔內(nèi)部尺寸-500毫米直徑/500毫米高。

溫度控制

• 標(biāo)配：環(huán)境溫度至500 °C。

• 可選: 從-40 °C開始的低溫環(huán)境溫度

智能軟件控制與分析

• 控制軟件可實現(xiàn)常規(guī)數(shù)據(jù)記錄、自定義數(shù)據(jù)記錄項、自定義測試工步及方法、參數(shù)控制和反饋回路。

安全功能

• 用戶可配置的自動事件檢測和軟硬件保護(hù)，確保用戶安全

• 具備可保留樣品殘骸和可抑制有毒煙霧擴(kuò)散的安全外殼

• N₂吹掃或熱失控后危險氣體的安全吹掃

• 在每個系統(tǒng)上安裝硬件和軟件故障自動保險

BTC-130|臺式，小尺寸電池，小容量電池，材料級別，電池?zé)嵝阅芗鞍踩阅軠y試，絕熱量熱儀

BTC-130 (電池測試量熱儀) 是一種臺式絕熱量熱儀，旨在對較小尺寸的電池進(jìn)行熱，電和機(jī)械應(yīng)力測試。對這些測試的評估有助于評估電池單體的安全性能，表征電池的安全運行極限，幫助熱失控機(jī)理的研究和開發(fā)。

應(yīng)用程序

安全測試

組件危險篩查:

• 電池的使用環(huán)境多樣，在正常使用和應(yīng)力條件下，可能導(dǎo)致電池內(nèi)部過熱或過冷。因此，在開發(fā)早期了解電池單體在一系列溫度下的行為至關(guān)重要。如果新的電池具有較低的自產(chǎn)熱溫度，而散熱條件不足，則可能造成電池?zé)崾Э厥鹿?。同樣，如果電池?nèi)壓力快速增加伴隨熱事件，或者產(chǎn)生有毒氣體，也需要重新評估該電池及其內(nèi)部關(guān)鍵材料的使用可行性。BTC-130可測試尺寸較小、容量較小的電池，通過提供絕熱環(huán)境，表征電池單體及關(guān)鍵材料的熱穩(wěn)定性，為電池開發(fā)提供參考數(shù)據(jù)。 

定義安全操作限制:

• 為避免鋰離子電池?zé)崾Э仫L(fēng)險及其可能導(dǎo)致的災(zāi)難性后果，必須明確鋰離子電池單體、模組和電池包的安全運行極限。因此，需要對電池施加熱應(yīng)力、電應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，用以確定電池的安全操作極限。熱穩(wěn)定性數(shù)據(jù)有助于確定電池的安全工作溫度

• 充放電溫升可幫助確定不同溫度下的最大安全電流

• 過充及過放溫升可以幫助確定不同溫度下的最高和最低安全電壓

• 可以評估不同溫度下機(jī)械應(yīng)力和外部短路 (ESC) 的后果 

探索熱失控和熱傳播

• 極端條件可能導(dǎo)致電池單體熱應(yīng)力增加，引發(fā)電池?zé)崾Э?。因此，為了提升電池的安全性甚至開發(fā)安全的電池，必須了解電池中熱失控的機(jī)理，以及熱失控如何在模組或電池包內(nèi)蔓延，以便實施適當(dāng)?shù)木徑夂鸵种撇呗浴?br tm="680"/>在BTC-130和BTC-500中進(jìn)行材料熱分解和電池?zé)崾Э販y試時，可同步獲取相應(yīng)的氣體壓力數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)可以用于電池?zé)崾Э匦袨榻??？梢詸z測電池內(nèi)組分分解的連續(xù)起始溫度，并估算所釋放的熱量，進(jìn)一步揭示電池內(nèi)的熱失控反應(yīng)機(jī)理。測試過程可收集電池釋放的氣體，并借助在線氣體MS或其他氣體分析設(shè)備，進(jìn)一步了解反應(yīng)歷程。

性能測試

表征電池性能的差異

• BTC-130和BTC-500可用于表征在更極端的工況條件下的電池性能。例如，通過對設(shè)備內(nèi)的電池進(jìn)行極限工況下的循環(huán)，觸發(fā)電池自產(chǎn)熱，并進(jìn)行絕熱跟蹤至電池?zé)崾Э?。也可以多次極限循環(huán)后，在設(shè)備內(nèi)進(jìn)行針刺實驗，表征電池單體的機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

功能和選項

測試類型

• 熱應(yīng)力：BTC-130為經(jīng)受熱應(yīng)力的電池提供絕熱環(huán)境，從而表征電池的熱穩(wěn)定性，并提供相關(guān)熱失控的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

• 電應(yīng)力：BTC-130可與充放電設(shè)備集成，支持正常充放電、過充及過放測試，也可與外短路設(shè)備連接，實現(xiàn)絕熱條件下的電-熱性能評估。

• 機(jī)械應(yīng)力：BTC-130可配備針刺測試設(shè)備，并可用于表征針刺過程的熱失控。

• 高數(shù)據(jù)速率采集，高達(dá)10,000Hz的溫度及壓力數(shù)據(jù)采集，可用于表征極快的反應(yīng)，，可滿足超高速采集需求

電池/樣品尺寸

• 圓柱電池、方形電池、軟包電池、商用紐扣電池、電池內(nèi)部材料

• 用于電池材料測試的可選球形測試池 (壓力范圍1-150 bar)。

溫度控制

• 環(huán)境溫度至500 °C。

智能軟件控制與分析

• 控制軟件可實現(xiàn)常規(guī)數(shù)據(jù)記錄、自定義數(shù)據(jù)記錄項、自定義測試工步及方法、參數(shù)控制和反饋回路。

安全功能

• 用戶可配置的自動事件檢測和軟硬件保護(hù)，確保用戶安全

• 在每個系統(tǒng)上安裝硬件和軟件故障自動保險

iso-BTC plus| 落地式，大功率，大尺寸，電池?zé)嵝阅軠y試，等溫量熱儀

新的iso-BTC plus，可測量電池充電和放電期間的熱功率曲線，為優(yōu)化電池?zé)峁芾砑半姵厥褂脡勖峁椭??；谂_式iso-BTC的原理，新的iso-BTC plus允許測量更高的熱功率及更大尺寸的電池。

應(yīng)用程序

性能測試

確定熱管理

• 電池在充放電過程的熱行為較復(fù)雜，深入理解電池的熱行為，可以優(yōu)化電池及模組的電-熱行為及安全性，延長使用壽命。

• 熱管理策略不當(dāng)可能導(dǎo)致產(chǎn)品安全性下降甚至導(dǎo)致危險。

• 熱管理過度可能導(dǎo)致產(chǎn)品體積龐大、笨重、復(fù)雜或成本高昂。

• 對電池充放電熱行為理解不充分，可能導(dǎo)致電池使用限制偏差，產(chǎn)生危險。同時，過于謹(jǐn)慎地設(shè)置使用限制，會導(dǎo)致電池性能的限制，并增加不必要的生產(chǎn)成本。

放熱率 (功率) 和以千焦耳為單位測量的釋放能量

• iso-BTC plus的數(shù)據(jù)可以表征以下工況的電池?zé)嵝袨椋?/p>

• 正常使用時在各種環(huán)境溫度和各種充電/放電狀態(tài)下的熱行為。

• 異常但非濫用的情況 (例如，輕度過度充電)的熱行為。

• iso-BTC plus數(shù)據(jù)可以幫助用戶在體系開發(fā)、電池結(jié)構(gòu)設(shè)計、電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計和高性能產(chǎn)品設(shè)計方面進(jìn)行決策。

• iso-BTC plus 數(shù)據(jù)用于熱傳導(dǎo)建模，以幫助預(yù)測具有復(fù)雜幾何形狀的大型高功率電池的熱行為。

• iso-BTC plus在測試期間支持溫場分布監(jiān)控，以識別電池產(chǎn)生更多熱量的區(qū)域。該信息還可以用于驗證熱管理策略。

 表征電池性能的差異

• 評估化學(xué)體系、電極組成、電池設(shè)計、電池類型及電池SOH對熱行為的影響，模擬各種溫度環(huán)境，測量電池在各種充電/放電過程的熱量，讓用戶更深入地理解產(chǎn)品。

  
  

• 重復(fù)充電/放電循環(huán)對16Ah軟包電池釋放的熱量的影響。1C充電的循環(huán)過程的熱量變化較小。。0.5C充電 (黃色) 和5C放電 (粉紅色) 的循環(huán)過程的熱量明顯增加。

表征電池的質(zhì)量控制

• iso-BTC plus數(shù)據(jù)可用于表征電池性能，作為品質(zhì)控制過程的一部分。這種方法適用于電池制造商和電池集成商。

iso-btc | 臺式，較小熱功率，較小電池，電池?zé)嵝阅軠y試，等溫量熱儀

iso-btc (電池測試量熱儀) 是一種等溫量熱儀，用于表征正常和長期使用條件下電池單體的熱行為和電性能。它支持一系列適配器，允許分析各種形式的電池。

應(yīng)用程序

性能測試

表征電池性能的差異

• 電池的化學(xué)體系、電池設(shè)計、電池單體類型以及電池當(dāng)前SOH都會影響電池性能。Iso-BTC能夠?qū)崿F(xiàn)在電池老化或劣化過程中研究這些因素對電池?zé)嵝阅艿挠绊?，結(jié)合熱量與能量的轉(zhuǎn)化率、不可逆容量、放出的熱量如何隨溫度變化以及倍率數(shù)據(jù)，可用于電池性能建模，幫助用于提升對電池?zé)嵝袨榈睦斫猓粩嗟姵氐拈_發(fā)。

表征細(xì)胞的質(zhì)量控制

• 電池的關(guān)鍵性能，例如放出的熱量及熱量與能量的轉(zhuǎn)化率，可以用于表征電池性能，也可以用于電池制造商的品質(zhì)控制以及電池集成商檢查電池性能。使用iso-BTC的數(shù)據(jù)可以幫助控制電池品質(zhì)。

確定熱管理

• 在正常使用時，電池單體在充電和放電過程會有熱量被吸收和放出，并且，在模組內(nèi)，電池之間可能出現(xiàn)熱量傳遞導(dǎo)致熱分布不均勻的情況，這可能引起安全隱患及電池性能差異。

• 如果沒有有效的熱管理，電池在充放電的熱量可能累積，使電池升溫，引發(fā)電池自產(chǎn)熱，導(dǎo)致熱失控，因此，電池模組內(nèi)都會具有控制電池?zé)醾鬟f的結(jié)構(gòu)或設(shè)計。為了合理設(shè)計熱傳遞結(jié)構(gòu)及設(shè)計，需要表征電池在一定溫度下的充電和放電的熱行為，而使用iso-BTC可以為熱管理的設(shè)計提供必要的數(shù)據(jù)。

• iso-BTC在測試期間支持溫場分布監(jiān)控，以識別電池產(chǎn)生更多熱量的區(qū)域。該信息還可以用于驗證熱管理策略。

功能和選項

試驗類型

• 性能測試

• 表征正常和非正常使用下的性能。

• 老化和壽命性能測試。

• 電池行為與充電/放電速率和溫度的關(guān)系

• 熱功率/熱量曲線。

• 電池產(chǎn)熱量與輸入或輸出能量曲線

• 電池充電/放電電壓曲線

• 電池充電/放電容量曲線 

電池/樣品尺寸

• 圓柱電池、小軟包電池和小方形電池。圓柱電池需搭配電池適配器。

• 最大測試體積250毫米寬，250毫米深，80毫米高

• 測試樣品體積將包括所用適配器體積。 

溫度控制

• 標(biāo)配：-20 °C至90 °C

• 可選：從-40 °C開始的低溫環(huán)境溫度 

智能軟件控制與分析

• 控制軟件可實現(xiàn)常規(guī)數(shù)據(jù)記錄、自定義數(shù)據(jù)記錄項、自定義測試工步及方法、參數(shù)控制和反饋回路。

安全功能

• 用戶可配置的自動事件檢測和軟硬件保護(hù)，確保用戶安全

• N₂吹掃

• 多點樣品溫度測量

• 在每個系統(tǒng)上安裝硬件和軟件故障自動保險

BTC-MS丨電池絕熱量熱儀與高壓質(zhì)譜聯(lián)用

絕熱加速量熱方法通常用于揭示化工品的熱安全性，一般可以獲取反應(yīng)物在絕熱環(huán)境下的起始放熱溫度Tonset、絕熱溫升ΔTad、最大溫升速率(dT/dt)max、至最大反應(yīng)速率時間TMRad、活化能Ea、指前因子A、反應(yīng)級數(shù)n、壓升速率dP/dt等參數(shù)，用于指導(dǎo)化工品的安全設(shè)計及安全生產(chǎn)。

絕熱加速量熱方法通常用于揭示化工品的熱安全性，一般可以獲取反應(yīng)物在絕熱環(huán)境下的起始放熱溫度Tonset、絕熱溫升ΔTad、最大溫升速率(dT/dt)max、至最大反應(yīng)速率時間TMRad、活化能Ea、指前因子A、反應(yīng)級數(shù)n、壓升速率dP/dt等參數(shù)，用于指導(dǎo)化工品的安全設(shè)計及安全生產(chǎn)?！　?/span> 

然而，絕熱加速量熱儀無法分析反應(yīng)過程的氣體。在反應(yīng)過程將氣體導(dǎo)出分析，會導(dǎo)致測試過程由恒容反應(yīng)體系變?yōu)樽儔悍磻?yīng)體系，反應(yīng)體系的變化，可導(dǎo)致反應(yīng)歷程變化。并且，將氣體導(dǎo)出的過程，可能發(fā)生氣體冷卻及由于溫度變化導(dǎo)致的二次反應(yīng)，從而，無法準(zhǔn)確分析反應(yīng)過程的氣體，干擾反應(yīng)機(jī)理解析。為解決這個問題，可以將絕熱加速量熱儀與在線高壓質(zhì)譜聯(lián)用，實現(xiàn)反應(yīng)氣體實時分析。

 　　絕熱加速量熱儀與高壓質(zhì)譜聯(lián)用原理及實物圖如下：

圖1 H.E.L BTC-130絕熱加速量熱儀與質(zhì)譜連接示意圖

圖2 H.E.L BTC-130與高壓質(zhì)譜連接圖片

　　通過H.E.L的BTC系列產(chǎn)品預(yù)留接口，高壓質(zhì)譜與相應(yīng)絕熱加速量熱儀相連，從而實現(xiàn)測試池內(nèi)樣品在線分析。

　　下圖為16Bar下高壓質(zhì)譜實時分析，該高壓質(zhì)譜實現(xiàn)高壓下對3000s內(nèi)的反應(yīng)池氣體實時分析。

 圖3 16Bar下高壓質(zhì)譜分析結(jié)果

 為了保證高壓質(zhì)譜與絕熱加速量熱儀的適配，我司提供滿足化工產(chǎn)品分析需求以及鋰離子電池分析需求的解決方案，助力化工產(chǎn)品以及鋰離子電池安全評估。

BTC-130主要技術(shù)參數(shù) :

絕熱量熱儀溫度操作范圍：室溫-500℃；

樣品倉尺寸：直徑不小于130mm, 高度不小于200mm。

雙加熱器設(shè)計：樣品輔助加熱器和腔體加熱器協(xié)同加熱升溫。

支持電池樣品比熱Cp 測試

配置直接原位質(zhì)譜接口 

BTC-500 主要技術(shù)參數(shù)：

電池樣品絕熱量熱溫度范圍：低溫-15℃-室溫，室溫-450℃

不銹鋼耐高溫高壓的絕熱量熱儀內(nèi)腔規(guī)格尺寸：Φ 500mm X h 500mm

腔體泄壓壓力設(shè)置4bar，可執(zhí)行氣體壓力數(shù)據(jù)采集及氣體原位測試

支持比熱CP 測試，內(nèi)置攝像頭，惰性氣體氣氛及氣體采集。

配備直接原位質(zhì)譜接口。 

參考文獻(xiàn)：

1. Huang L, Lu T, Xu G, et al. Thermal runaway routes of large-format lithium-sulfur pouch cell batteries[J]. Joule, 2022, 6(4): 906-922.

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